毕业论文
基于单片机的四轴飞行器
夏纯
吉林建筑大学
2015年6月
毕业论文
基于单片机的四轴飞行器学生：夏纯
指导教师：许亮
专业：电子信息工程
所在单位：电气与电子信息工程学院
答辩日期：2015 年6月
目录
摘要 ...................................................................................................................................... ABSTRACT ........................................................................................................................... 第1章绪论.........................................................................................................................
1.1 论文研究背景及意义...........................................................................................
1.2 国内外的发展情况 ...............................................................................................
1.3 本文主要研究内容 ............................................................................................... 第2章总体方案设计.......................................................................................................
2.1 总体设计原理 ........................................................................................................
2.2 总体设计方案 ........................................................................................................
2.2.1 系统硬件电路设计方案............................................................................
2.2.2 各部分功能作用..........................................................................................
2.2.3 系统软件设计方案 ..................................................................................... 第3章系统硬件电路设计..............................................................................................
3.1 Altium Designer Summer 09简介........................................................................
3.2 总体电路设计 ........................................................................................................
3.2.1 遥控器总体电路设计.................................................................................
3.2.2 飞行器总体电路设计.................................................................................
3.3 各部分电路设计....................................................................................................
3.3.1 电源电路设计 ..............................................................................................
3.3.2 主控单元电路设计 .....................................................................................
3.3.3 无线通信模块电路设计............................................................................
3.3.4 惯性测量单元电路设计............................................................................
3.3.5 电机驱动电路设计 .....................................................................................
3.3.6 串口调试电路设计 .....................................................................................
3.4 PCB设计..................................................................................................................
3.4.1 PCB设计技巧规则......................................................................................
3.4.2 PCB设计步骤...............................................................................................
3.4.3 PCB外形设计...............................................................................................
3.5 实物介绍 ................................................................................................................. 第4章系统软件设计.......................................................................................................
4.1 Keil MDK
5.12简介................................................................................................
4.1.1 Keil MDK概述 .............................................................................................
4.1.1 Keil MDK功能特点 ....................................................................................
4.2 软件设计框图 ........................................................................................................
4.3 软件调试仿真 ........................................................................................................
4.4 飞控软件设计 ........................................................................................................
4.4.1 MPU6050数据读取 .....................................................................................
4.4.2 姿态计算IMU .............................................................................................
4.4.3 PID电机控制................................................................................................ 结论 . (36)
致谢 ...................................................................................................................................... 参考文献................................................................................................................................ 附录1 遥控器主程序源代码........................................................................................... 附录2 飞行器主程序源代码........................................................................................... 附录3 遥控器原理图. (50)
附录4 飞行器原理图 (51)
摘要
四轴飞行器具备VTOL(Vertical Take-Off and Landing，垂直起降)飞行器的所有优点，又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点，具有广阔的应用前景。可应用于军事上的地面战场侦察和监视，获取不易获取的情报。能够执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。工业上可以用在安全巡检，大型化工现场、高压输电线、水坝、大桥和地震后山区等人工不容易到达空间进行。
本设计主要包括遥控器和飞行器两大部分，其中央处理器CPU均采用基于32位ARM Corex-M3内核的NXP LPC1549，时钟频率为72MHz；飞行器与遥控器之间的无线通信采用2.4GHz通信频段的NRF24L01模块，NRF24L01模块与MCU之间通过SPI协议以1MHz的通信速率通信；飞行器端搭载有3轴加速度计与三轴陀螺仪融合一体的MPU6050惯性测量单元作为姿态欧拉角测量单元，MPU6050与飞行器MCU之间通过I2C协议以400Hz的频率进行通信；飞行器端MCU通过接收无线数据以及采集MPU6050数据通过四元数互补滤波计算出的欧拉角，再进行电机PID自动控制，最终以20KHz的PWM通过MOS管来驱动空心杯820直流有刷电机，得以实现遥控四轴飞行器的设计。
关键词四轴飞行器；PID自动控制；MPU6050；PWM
ABSTRACT
Four-axis aircraft equipped with VTOL (Vertical Take-Off and Landing, vertical take off and landing) aircraft with all the advantages, and UAV's low cost strong, repeatable, and low accident costs, has broad application prospects. Can be used in military battlefield reconnaissance and surveillance, access is not easy to get information. Able to perform special tasks such as patrolling the no fly zone and close air support, could cope with modern electronic warfare, communications relay of modern warfare. In civil use can be used for post-disaster rescue, traffic patrol and tracking, and many other aspects of the city. Can be used in a safety inspection on the industrial, large-scale chemical sites, high-voltage power lines, dams, bridges and artificial mountain after the earthquake are not easy to reach space.
This design includes two remote controls and aircraft parts, central processing unit CPU using of 32ARM NXP Corex-M3 kernel LPC1549,clock frequency is 72MHz; Wireless communication 2.4G communication with the remote control of aircraft band NRF24L01 module NRF24L01 module between the MCU and 1MHz communication speed through the SPI protocol communications; Aircraft end carrying a 3-axis accelerometer and integrating three-axis gyro MPU6050 inertial measurement unit as a gesture of Euler angle measurement unit,MPU6050?aircraft?between?the?MCU communicates?through?the?I2C?Protocol?with400Hz?frequency; Aircraft end-MCU by receiving wireless data MPU6050 data collected by Quaternion complementary filters calculate the Euler angles. PID motor control, ultimately 20KHz PWM drive through the MOS tube hollow glass 820 DC brush motor, remote control design of four axis aircraft.
Keywords Quadrocopter；PID Auto control；MPU6050；PWM
第1章绪论
1.1 论文研究背景及意义
图1-1 典型四轴飞行器
四轴飞行器是一种具有4个对称旋翼的直升机（如图1-1），具有垂直起降、结构简单、操纵方便及机动灵活等优点，在飞行器上挂载摄像头等模块能够实现许多实用功能。在实际应用方面，以四轴飞行器为代表的小型无人机在执行军事任务时具有很大的优势。它们能够在士兵的操控下进行战场上近距离、小范围、复杂地形环境的敌情侦察，还可以用作通信联系工具或者指示目标机，甚至还能装上弹药直接执行战略攻击任务。在民用与工业领域，四轴飞行器也具有广泛的应用前景。通过携带特定的功能检测模块，四轴飞行器可以感知危险区域的有毒物质浓度或核辐射强度等。微型四轴无人飞行器可以自主完成上述任务，不仅节约成本，而且大大简化了人力劳动，也在人类无法到达的危险、危害环境可以完全代替人类工作。
近年来，很多学者和研究机构通过对四轴飞行器进行动力学和运动学分析，建立了系统的数学模型，提出了各种控制算法，并设计了飞行控制系统进行验证；加上传感器技术和控制理论的不断发展，尤其是微电子和微机械技术的逐步成熟，使四轴飞行器的飞行控制成为了一个具有广阔前景的研究课题。
1.2 国内外的发展情况
早在二战时，载人四轴的原型机已经被设计出来，但因为控制技术还跟不上，飞行器因不稳定而无法投入实际应用。那时欠缺的技术主要是惯性测量和控制器的缺陷，那时候的惯性导航系统一般是十几公斤的大铁疙瘩。为了把这么重的东西放到一个多旋翼飞行器上，飞行器的载荷必须很大，可是人们发现，不管是用油机还是电机做多旋翼飞行器的动力系统，都很难得到足够的载荷。同时，因为固定翼和直升机已经很够实际使用了，所以没有人愿意多花功夫去研究多旋翼飞行器这个棘手的问题。很长一段时间里，只有美国一些研发性的项目做出了多旋翼飞行器的样机。
20世纪90年代之后，随着微机电系统（MEMS）研究的成熟，几克重的MEMS惯性导航系统被制作了出来，使得多旋翼飞行器的自动控制器可以制作了。但是MEMS传感器数据噪音很
大，不能直接读出来用，于是人们又花了一些年的时间研究MEMS去噪声的各种数学算法。这些算法以及自动控制器本身通常需要速度比较快的单片机来运行，于是人们又等了一些年时间，等速度比较快的单片机诞生。接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行器的非线性系统结构，给它建模、设计控制算法、实现控制算法。
因此，直到2005年左右，真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。之前一直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器系统突然出现在人们视野中，大家惊奇地发现居然有这样一种小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单的飞行器存在。一时间研究者趋之若鹜，纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。
四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最简单最流行的一种。如上所述，最初的一段时间主要是学术研究人员研究四旋翼。四旋翼飞行器最早出现在公众视野可能要追溯到2009年的着名印度电影《三傻大闹宝莱坞》，到了2010年，法国Parrot公司发布了世界上首款流行的四旋翼飞行器AR.Drone。作为一个高科技玩具，它的性能非常优秀：轻便、灵活、安全、控制简单，还能通过传感器悬停，用WIFI传送相机图像到手机上。
AR.Drone的流行让四旋翼飞行器开始广泛进入人类社会。在玩具这个尺寸上，多旋翼飞行器的优势就显示出来了，同尺寸的固定翼基本飞不起来，而同尺寸的直升机因为机械结构复杂，根本没法低成本地制作出稳定的产品。
2012年2月，宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授在TED上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲。这一场充满数学公式的演讲居然大受欢迎，迄今已经有三百多万次观看，是TED成百上千个演讲中浏览量最高的演讲之一。自此之后，四旋翼飞行器受到的关注度迅速提升，成为了新的商业焦点。
在国内，四轴飞行器发展于深圳市大疆创新科技有限公(DJ-Innovations，简称DJI)，早年DJI专注在直升机自动控制器上。不过在2010年，AR.Drone 的成功也让DJI开始考虑四旋翼飞行器产品。2012年DJI相继推出了风火轮系列四旋翼机架、悟空四旋翼飞控和S800六旋翼飞行器。当时，在AR.Drone的引领下，全球范围内都有一股将四旋翼商业化的热潮，DJI只是众多小四旋翼公司中稍微出众的一个。随着DJI Phantom在2013年1月的推出，四旋翼飞行器市场的
形势发生了巨大的变化。“Phantom”在英语里有幻影、精灵的意思，它优雅的白色流线型外形也确实配得上精灵这个称呼。Phantom与AR.Drone 一样控制简便，新手学习多半个小时就可以自由飞行。Phantom尺寸比AR.Drone大的多，抗风性更好，还具有内置GPS导航功能，可以在户外很大的范围内飞行。更重要的是，当时利用GoPro运动相机拍摄极限运动已经成为欧美国家的时尚，而Phantom提供了挂载GoPro的连接架，让用GoPro 相机的人们有了从天空向下的拍摄视角。特别地，与传统的飞机和直升机航拍不同，多旋翼系统小巧灵活，能让拍摄者自由地控制角度和距离。就像iPhone重新定义了手机一样，我们也可以毫不夸张地说Phantom+GoPro重新定义了航拍，也重新定义了相机。
“人类对飞行的梦想是与生俱来的。”你已经看到人们的创意如何在一两年之内被四旋翼点燃起来，更多的飞行器被制造出来，更多的想法也会被创造出来，这样更大的市场也会形成。我相信在未来的十年之内，无人机行业会逐步壮大，我们今天产生的所有想法基本都会实现，更多的想法也会逐步
被实现，利用无人机的应用越来越多，无人机将会变成我们生活不可或缺的部分。
1.3 本文主要研究内容
本设计主要包括遥控器的设计和飞行器的设计，遥控器是飞行器的远程控制单元。在设计过程中，两大部分均采用以ARM Cortex-M3为内核的NXP LPC1549作为中央处理器，飞行器端利用3轴陀螺仪、3轴加速度计融合一体的MPU6050惯性测量单元作为姿态传感器，最终实现悬停、自转、前后左右移动等操作功能。
系统采用遥控器无线控制，遥控器端主控芯片采集AD值和按键动作信号，通过NRF24L01无线传输给飞行器，飞行器端的NRF24L01接收到信号之后主控器进行信号收集，飞行器在接收无线信号的同时，还要接收自身姿态传感器MPU6050读出来的值，通过四元数滤波算法，PID控制算法，得到姿态角度值，最终把自身的数据和无线接收到的数据进行统一处理传送给飞行器四个电机的PWM控制I/O口，从而使得飞行器在保持平稳的状态下被遥控器控制，以此来达到遥控的目的。当然，飞行器的状态也可以通过无线发送到遥控器端，遥控器通过显示器可以清晰的观察当前的状况。
此次毕业设计作品为小型四轴飞行器，从原理图设计到PCB设计再到焊接调试都是自己独立完成，最终期望达到的目的是实现无线遥控，遥控器显示器实时显示四轴飞行器的状态，并且能实现悬停。
第2章总体方案设计
2.1 总体设计原理
本次设计硬件部分主要包括遥控器和飞行器两大部分，主控芯片均采用32位基于ARM Cortex-3的NXP LPC1549处理器，遥控器和飞行器之间通信采用2.4G民用无线通信频段的NRF24L01模块，模块与MCU之间通过硬件SPI采用1MHz的速率通信。遥控器外形设计似游戏手柄，直接用PCB电路板打样后作为遥控器外形。遥控器通过采集蘑菇头摇杆电位器ADC电压值以及按键状态发送给飞行器。飞行器外形设计为十字架形状，通过CAD绘制外形导入到Altium Designer软件里Keep-Out Layer层作为飞行器切割外框。飞行器软件设计主要是MCU通过硬件I2C采用400KHz的速率读取MPU6050的数据，并定时利用惯性测量单元（IMU）姿态获取技术，然后通过PID电机自动控制算法，把PID输出量跟无线接收到的数据进行融合，最终通过输出PWM来控制高速空心杯直流有刷电机来实现各种飞行状态。飞行器螺旋桨主要提供三个作用，一是提供升力，保证飞行器能处于飞行状态；另一个是四个螺旋桨分为两两对称布置，单轴对称布置正反螺旋桨叶，互相抵消螺旋桨旋转时产生的力矩；此外，可以通过调整每个螺旋桨转速，达到飞行姿态控制。飞行姿态控制是四轴飞行器设计核心部分之一。
2.2 总体设计方案
2.2.1 系统硬件电路设计方案
本次设计采用NXP LPC1549微控制器作为MCU，并且均采用3.7V充电电池作为电源为系统供电，电池通过CAT2829芯片稳压到3.3V为MCU以及外设供电，飞行器供电比较特殊，其供电分为两个部分：一是3.7V电池直接为电机供电，二是电池稳压到3.3V之后为系统和外设供电。遥控器端的主要硬件部分包括最小系统、无线NRF2L01模块、程序下载、ADC采集、液晶显示器、蜂鸣器、LED指示灯以及串口调试，飞行器端硬件主要部分有最小系统、程序下载，无线NRF2L01模块、电机驱动、惯性测量单元MPU6050以及LED驱动电路，其系统总体框图如图2-1所示。
图2-1 系统硬件总体框图
2.2.2 各部分功能作用
1. MCU控制中心
MCU是飞行器和遥控器的控制中心，是它们的大脑，主要功能是收集数据和处理数据并且做出指示。本次设计选用的是32位的基于ARM Cortex-M3为内核的NXP LPC154作为中央处理器，设置72M的时钟频率，完全能达到设计的要求。
2. 电源模块
电源模块起着为系统充能量的作用，任何电子系统没有了电源，系统肯定会瘫痪，所以电源起着至关重要的作用。本次电源设计模块选用CAT6219作为3.7V转3.3V稳压芯片；CAT6219
的低压差的优点完全符合设计要求，遥控还使用了ASM1117-2.5作为3.7V转2.5V的稳压芯片；
2.5V电压用于给ADC电位器做参考电压使用。
3. 通信模块
通信模块在整个系统中起着信号交流的作用，遥控器通过MCU读取的按键信息以及油门方向值发送到飞行器端，飞行器端接收到之后做出相应的动作。本次设计采用NRF24L01无线通信模块，选着此模块的原因是因其通信协议简单、传输距离相对较远、价格低廉等优点。
4. 惯性测量单元
惯性测量单元主要是在飞行器飞行过程中实时检测姿态的传感器，对于飞行器想要平稳飞行来说具有极其重要的作用。本次设计之所以选用MPU6050作为姿态传感器作为惯性测量单元，是因其具有跟MCU之间进行I2C数据传输，传输速率为400KHz，通信协议简单、价格低廉等优点。
5. 电机驱动
电机驱动部分主要是MCU通过控制PWM然后控制MOS管打开和闭合作为开关从而控制电机的转动。本设计采用SI2302 N沟道型MOS管，其具有低开启电压大电流并且价格便宜等优点，电路设计也很简单。
6. LED状态指示
在硬件电路设计中，LED首先必须要有电源指示灯，判断系统是否上电；其次需要有信号指示灯，指示遥控器和飞行器是否通信；最后就是状态显示LED灯显示飞行器状态等等。
2.2.3 系统软件设计方案
本次设计软件部分包括遥控器程序设计和飞行器程序设计。遥控器程序设计主要包括有无线NRF24L01发送、ADC电压采集之后的处理、显示器驱动显示、读取按键状态以及LED灯指示等，涉及软件包括SPI通信协议、ADC模数转换、I/O口驱动等。飞行器程序设计部分主要包含无线NRF24L01接收、读取MPU6050的数据并通过四元数滤波计算（IMU）以及PID自动控制、电机PWM产生以及控制、LED状态灯等，飞行器软件涉及SPI通信协议驱动、I2C通信协议驱动等。
第3章系统硬件电路设计
3.1 Altium Designer Summer 09简介
Altium Designer是目前国内最流行的通用EDA软件，Altium Designer Summer 09是Altium公司在2009年发布的版本，它将电路原理图设计、PCB版图设计、电路仿真、PLD设计以及FPGA 设计等多个实用工具组合起来构成EDA工作平台，是第一个将EDA软件设计成基于Windows的普及型产品。与早期Protel 99SE以及Protel DXP2004软件相比，Altium Designer Summer 09功能更加完备、风格更加成熟，并且界面更加灵活操作也简单，尤其是在仿真和PFGA电路设计方面有了重大的改进，摆脱了Protel前期版本基于PCB设计的产品定位，显露出一个普及型全线EDA 产品崭新的面貌。
本次毕业设计所有硬件设计部分包括原理图和PCB部分都是使用Altium
Designer Summer 09来完成的。
3.2 总体电路设计
3.2.1 遥控器总体电路设计
在本次硬件电路设计中，原理图采用把每个模块分开来绘制，然后在所需接口上使用连接口连接，这使得整个遥控器电路图能够直观的显示其中包括了哪些模块单元，并且每个模块之间的连接也非常清楚。此时不需要去知道每个模块的内部连接，知道模块有哪些可用的接口就可以。遥控器硬件电路总图如图3-1所示。
由图3-1可以清晰看出，遥控器供电有两种供电方式，一种是采用3.7V电池供电，第二种是通过Micro USB电源线供电。在电源模块中，可输入5V直流电源或输入3.7V直流电源。此次设计中考虑到可能出现两种电源同时接上的情况，所以采用电源开关来控制电源输入类型。从该模块还能看出电源输出的有3.3V和2.5V两种电源。遥控器硬件电路除了电源模块电路，还包括最小系统电路模块、串口调试电路模块、ADC电路模块以及按键跟LED灯模块。
图3-1 遥控器硬件电路总图
3.2.2 飞行器总体电路设计
图3-2飞行器硬件电路总图
飞行器硬件电路图如图3-2所示，由图可知，飞行器硬件电路主要包括电源电路、MCU最小系统电路、电机驱动电路、MPU6050外设电路以及LED指示灯电路。
3.3 各部分电路设计
在硬件电路设计中，对以下几个主要的模块如电源电路、MCU最小系统电路、无线通信电路、MPU6050电路、串口调试电路、电机驱动电路等进行更加详细的介绍。
3.3.1 电源电路设计
电源是任何电子系统设计的核心，并且需要的是稳定的电源，电源的是否稳定影响着系统的稳定，因此，电源部分也是重点设计的部分。在本次设计中，由于包括遥控器和飞行器两大部分并且都需要单独供电，都有电源部分电路，在这里重点介绍飞行器的电源电路设计。
飞行器电源设计使用3.7V充电锂电池作为电源，给系统供电，但是系统需要两种电源，一是MCU和外设需要稳定的3.3V电源，再者就是飞行器电机的3.7V供电。本次设计所选用的空心杯直流有刷电机在工作的时候，对电压的影响非常大，所以要在保证能给电机供电的情况下还能有3.3V的稳定电压，因此本次设计采用CAT6219作为3.3V稳压芯片，采用CAT6219稳压芯片是因为它具有以下几个优点：
●很低的电压差，能确保3.7V电压能稳定到3.3V；
●低噪声低功耗设计；
●电路极为简单；
●精度高纹波小；
●低成本低噪声。
电源电路设计如图3-3所示，其中330mH电感L1在回路电路中起着消除系统运行产生的磁通量，保证电源的稳定；C6和C9两个100uF的大电容分别放在稳压芯片的输入和输出两端起着滤波的作用，能更加的稳定电源。在本设计过程中，还把电源分为模拟和数字两部分，分别通过磁珠来进行隔离，周围的小电容同时也起着滤波的作用。
图3-3 电源电路原理图
在遥控器电源设计中，输入电压可以是3.7V或者5V电电源，用到了两个稳压芯片，一个是3.3V稳压芯片CAT6219，3.3V电源给MCU和外设供电；另外用到2.5V稳压片ASM1117，2.5V 电源作用是给ADC摇杆电位器提供电源，作为参考电压，采用超低电压的原因是保证采集到的ADC电压值不受电池电量的影响而使得数据不准确。
3.3.2 主控单元电路设计
MCU是系统的核心，从成本和性能以及掌握32位ARM芯片的熟练情况等各方面综合考虑，本设计遥控器和飞行器均采用NXP LPC1549作为主控芯片，NXP LPC1549是恩智浦公司推出的低功耗、高集成、高性价比的MCU芯片。NXP LPC1549基于32位ARM Cortex-M3内核，主频高达72MHz；具有独立的指令总线和数据总线的哈佛架构，并拥有供外设使用的第三独立总线；
内置嵌套向量中断控制器(NVIC)和存储器保护单元(MPU)；配备256kB flash、32kB ROM、4kB EEPROM和36kB SRAM；支持FS USB、CAN、RTC、SPI、USART、I2C等外设。程序调试跟下载通过JLINK仿真器SWD模式来进行。NXP LPC1549具有4路定时器PWM，刚好驱动飞行器的四个电机。因此，NXP LPC1549是本系统设计的理想选择。MCU最小系统电路原理图如图3-4 所示。
NXP LPC1549处理器一共有48个引脚，包括电源引脚有12个，外部晶振引
脚2个，外部RTC时钟引脚2个，USB引脚2个，30个I/O口引脚。其中30
个I/O口引脚中，PIO0_21复用外接复位芯片引脚；PIO0_19、PIO0_20两个引脚复用JLINK仿真调试SWD模式下载的SWCLK和SWDIO引脚；PIO0_0~ PIO0_3为SCT定时器产生PWM引脚，同时也复用ADC0通道引脚。PIO0_22、PIO0_23两个引脚分别的硬件I2C的时钟SCL引脚和数据线SDA引脚。
NXP LPC1549引脚还有一种开关矩阵功能，为了使硬件电路设计方便，特有
的功能。比如串口的RXD和TXD引脚可以通过软件寄存器配置随意更换引脚而
不是固定不变的；硬件SPI引脚也可以通过开关矩阵来配置，这大大减轻了硬件
电路设计的难度和开发时间。
图3-4 MCU最小系统电路原理图
3.3.3 无线通信模块电路设计
本次设计无线通信模块采用的是NRF24L01模块。NRF24L01具有以下特性：
●真正的GFSK单收发芯片?????????????????????
●?内置链路层?
●?增强型ShockBurstTM?
●?自动应答及自动重发功能?
●?地址及CRC检验功能?
●?数据传输率1或2Mbps?
●?SPI接口数据速率0~8Mbps?
●?125个可选工作频道?
●?很短的频道切换时间可用于跳频?
●?与nRF?24XX系列完全兼容?
●?可接受5V电平的输入?
●?20脚QFN?44mm封装?
●?极低的晶振要求60ppm?
●?低成本电感和双面PCB板
●?工作电压1.9~3.6V?
NRF24L01无线通信模块的通信距离在不接天线时能达到30M左右，跟MCU之间采用1MHz的SPI通信协议进行传输，模块与模块之间采用2.4G无线网络频段通信，其电路原理图如图3-5所示。无线NRF24L01模块与MCU之间连接口如表3-1所示。
图3-5 NRF24L01 无线通信模块电路图
2.4G 无线网络频段属于ISM 频段，它是全球范围内被广泛使用的超低辐射绿色环保频段；具有125 个通讯信道，因为 2.4G 无线网络通讯更通畅，多个通讯指令间不会相互干扰；
2.4G 无线网格带宽传速率最高可以达到108Mbps，因此它的传输速度很快；它的传输距离相对较远（空旷地带：200m 有效传输距离），且不受传输方的影响，支持双向通讯。
表3-1 NRF24L01引脚与MCU引脚连接对照
SPI（Serial?Peripheral?Interface）是一种串行同步通讯协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。SPI?接口由MOSI（串行数据输入），MISO（串行数据输出），SCK（串行移位时钟），CS（从使能信号）四种信号构成，CS?决定了唯一的与主设备通信的从设备，如没有CS?信号，则只能存在一个从设备，主设备通过产生移位时钟来发起通讯。通讯时，数据由MISO?输出，MOSI?输入，数据在时钟的上升或下降沿由MISO?输出，在紧接着的下降或上升沿由MOSI?读入，这样经过8/16?次时钟的改变，完成8/16?位数据的传输。
SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。SPI通信协议时序图如图3-6所示。
图3-6 SPI通信协议时序图
3.3.4 惯性测量单元电路设计
飞行器硬件电路设计中，最重要的地方就要属于惯性测量单元MPU6050的硬件电路设计。因其封装尺寸太小，并且是QFN的封装方式，焊接难度非常之大。MPU6050是集三轴加速度计和三轴陀螺仪与一起的姿态传感器，MPU6050跟MCU直接采用400Hz的I2C协议传输数据。MPU6050与MCU之间连接只需两根线，一跟是I2C时钟线SCL与MCU的PIO0_22引脚连接，另一根I2C数据线SDA与MCU的PIO0_23引脚连接。惯性测量单元的电路如图3-7所示。
图3-7惯性测量单元电路图
在图3-7中，3个10K上拉电阻R20、R21、R22是为了增强驱动能力，MPU6050的七位设备地址是b110100x，最后一位是通过AD0管脚的电平来确定，本设计接的是地，所以设备地址是b1101000。MPU6050主要接口是两个引脚，一个是I2C数据线SDA引脚，一个是I2C时钟线SCL 引脚。
MPU-6050的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec (dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。产品传输可透过最高至400kHz的IC。MPU-6000可在不同电压下工作，VDD供电电压介为 2.5V±5%、3.0V±5%或 3.3V±5%，逻辑接口VVDIO供电为 1.8V±5%。MPU-6000的包装尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在业界是革命性的尺寸。其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有±1%变动的振荡器。
I2C总线支持任何IC 生产过程（NMOS和CMOS 双极性），两条线串行数据（SDA ）和串行时钟（SCL）线在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有一个唯一的地址识别（无论是微控制器LCD驱动器存储器或键盘接口）而且都可以作为一个发送器或接收器（由器件的功能决定），很明显，LCD驱动器只是一个接收器，而存储器则既可以接收又可以发送数据。除了发送器和接收器外，器件在执行数据传输时也可以被看作是主机或从机（见表3-2），主机是初始化总线的数据传输并产生允许传输的时钟信号的器件。此时任何被寻址的器件都被认为是从机。
在I2C 总线中唯一出现的是被定义为起始S和停止P条件见图3-8的情况，其中一种情况是在SCL 线是高电平时SDA 线从高电平向低电平切换这个情况表示起始条件，当SCL 是高电平时SDA 线由低电平向高电平切换表示停止条件，
起始和停止条件一般由主机产生总线在起始条件后被认为处于忙的状态，在停止条件的某段时间后，总线被认为再次处于空闲状态。如果产生重复起始S条件而不产生停止条件，总线会一直处于忙的状态此时的起始条件S和重复起始S条件在功能上是一样的，符号S将作为一个通用的术语既表示起始条件又表示重复起始条件，除非有特别声明的S如果连接到总线的器件合并了必要的接口硬件，那么用它们检测起始和停止条件十分简便，但是没有这种接口的微控制器在每个时钟周期至少要采样SDA 线两次来判别有没有发生电平切换。
在MPU6050工作的时候，通过逻辑分析仪采集到I2C通信时的时序图，如图3-9 所示。
图3-9 MPU6050工作时I2C协议时序图
图3-10 I2C协议时序图
如图3-10所示MPU6050工作时的时序图。一
3.3.5 电机驱动电路设计
飞行器硬件电路设计中，电机驱动部分也相当重要。本次所采用的电机是空心杯820直流有刷电机，电机采用3.7V电源供电，驱动思路是这样的，电机的一端接电源正级，负极端接MOS 管，MOS管通过飞行器MCU的PWM来控制它的开启与关闭从而控制电机转速。四个电机驱动的PWM分别于MCU的PIO0_0、PIO0_1、PIO0_2、PIO0_3引脚连接。其电路原理图如图3-11所示。
如3-11 电机驱动原理图图3-12 SI2302特性曲线图
对于N沟道增强型MOS管SI2302，主要参数如下：
晶体管类型：N沟道MOSFET
最大功耗PD：1.25W
栅极门限电压VGS：2.5V（典型值）
漏源电压VDS：20V（极限值）
漏极电流ID：2.8A
通态电阻RDS(on)：0.145hm（典型值）
栅极漏电流IGSS：±100nA
结温：55℃--150℃
直流有刷电机驱动采用此MOS管，其特性曲线如图3-12所示，由图可知，它的开启电压为1V，当Vgs=2V时其最大的工作电流可以达到4A，完全能达到本次设计要求；D2反向二极管防
止电机断电之后继续转产生的电流击穿MOS管，起着保护MOS管的作用；R12为单片机I/O口的限流电阻；R14为下拉电阻，防止单片机上电之后I/O口为高电平时电机转动。
3.3.6 串口调试电路设计
在本次毕业设计中，串口调试电路只用在遥控器当中，遥控器直接通过Micro USB接口给遥控器供电，然后连接串口，就可以直接跟上位机连接，方便程序调试。本次设计选用的串口转USB芯片是CH340G芯片，CH340G具有以下特点：
●?全速USB设备接口，兼容USB?V2.0，外围元器件只需要晶体和电容。?
●?仿真标准串口，用于升级原串口外围设备，或者通过USB增加额外串口。?
●?计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改。?
●?硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率50bps～2Mbps。
●?支持常用的MODEM联络信号RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。?
●?通过外加电平转换器件，提供RS232、RS485、RS422等接口。?
●?支持IrDA规范SIR红外线通讯，支持波特率2400bps到115200bps。
●?软件兼容CH341，可以直接使用CH341的驱动程序。
●?支持5V电源电压和3.3V电源电压。?
●?提供SSOP-20和SOP-16无铅封装，兼容RoHS。
图3-13 CH340G电路原理图
CH340G硬件电路图如图3-13所示。设计电路连接中比较注意的地方有以下两点：
（1）CH340芯片正常工作时需要外部向XI引脚提供12MHz的时钟信号。一般情况下，时钟信号由CH340内置的反相器通过晶体稳频振荡产生。外围电路只需要在XI和XO引脚之间连接一个12MHz的晶体，并且分别为XI和XO引脚对地连接振荡电容。?
（2）CH340芯片支持5V电源电压或者3.3V电源电压。当使用5V工作电压时，CH340芯片的VCC引脚输入外部5V电源，并且V3引脚应该外接容量为4700pF或者0.01uF的电源退耦电容。当使用3.3V工作电压时，CH340芯片的V3引脚应该与VCC引脚相连接，同时输入外部的3.3V电源，并且与CH340芯片相连接的其它电路的工作电压不能超过3.3V。本次设计采用的是3.3V工作电压，所以V3直接跟VCC连接。
3.4 PCB设计
硬件电路原理图设计完毕之后，接下来就是PCB的设计。本次设计采用双层电路板印制，遥控器和飞行器均不加外壳，直接使用PCB板作为支架外形，焊接上元器件直接可以使用。
3.4.1 PCB设计技巧规则
对于IC、非定位接插件等大器件，可以选用50~100mil的格点精度进行布局，而对于电阻电容和电感等无源小器件，可采用25mil的格点进行布局。大格点的精度有利于器件的对齐和布局的美观。
1．PCB布局规则
（1）在通常情况下，所有的元件均应布置在电路板的同一面上，只有顶层元件过密时，才能
毕业论文 基于单片机的四轴飞行器 夏纯 吉林建筑大学 2015年6月
毕业论文 基于单片机的四轴飞行器 学生：夏纯 指导教师：许亮 专业：电子信息工程 所在单位：电气与电子信息工程学院答辩日期： 2015 年6月
目录 摘要.......................................................... I ABSTRACT ...................................................... II 第1章绪论. (1) 论文研究背景及意义 (1) 国内外的发展情况 (2) 本文主要研究内容 (4) 第2章总体方案设计 (5) 总体设计原理 (5) 总体设计方案 (5) 系统硬件电路设计方案 (5) 各部分功能作用 (6) 系统软件设计方案 (7) 第3章系统硬件电路设计 (8) Altium Designer Summer 09简介 (8) 总体电路设计 (8) 遥控器总体电路设计 (8) 飞行器总体电路设计 (10) 各部分电路设计 (10) 电源电路设计 (10) 主控单元电路设计 (12)
无线通信模块电路设计 (13) 惯性测量单元电路设计 (16) 电机驱动电路设计 (18) 串口调试电路设计 (19) PCB设计 (21) PCB设计技巧规则 (21) PCB设计步骤 (22)
PCB外形设计 (23) 实物介绍 (25) 第4章系统软件设计 (27) Keil 简介 (27) Keil MDK概述 (27) Keil MDK功能特点 (27) 软件设计框图 (28) 软件调试仿真 (29) 飞控软件设计 (30) MPU6050数据读取 (30) 姿态计算IMU (32) PID电机控制 (32) 结论 (36) 致谢 (38) 参考文献 (39) 附录1 遥控器主程序源代码 (40) 附录2 飞行器主程序源代码 (45) 附录3 遥控器原理图 (50) 附录4 飞行器原理图 (51)
大学生电子设计竞赛 设计报告 摘要：本设计实现基于STM32开发板的十字形四旋翼飞行器，四旋翼由主控制板、陀螺仪、电机模块、超声波测距、电源和投弹打靶模块等六部分组成。其中，控制核心STM32负责飞行器姿态数据接收和飞行姿态控制；陀螺仪采用MPU6050模块，该模块经过卡尔曼滤波处理采集的数据，输出数据，用PID控制算法对数据进行处理，同时，解算出相应电机需要的的PWM增减量，及时调整电机转速，调整飞行姿态，使飞行器的飞行的更加稳定。电机模块通过电调控制无刷直流电机，超声波传感器进行测距，起飞后悬停在一定高度，打靶后降落。 关键词：四旋翼；PID控制；陀螺仪，姿态角，电机控制
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目录 1系统方案 (1) 1.1控制系统选择方案 (1) 1.2飞行姿态控制方案论证 (1) 1.3角度测量模块的方案论证 (2) 1.4高度测量模块方案论证.............................................. 错误！未定义书签。2理论分析与计算 (2) 2.1控制模块 .................................................................... 错误！未定义书签。 2.2机翼电机 .................................................................... 错误！未定义书签。 2.3飞行姿态控制单元 (3) 3电路与程序设计 (4) 3.1系统总体设计思路 (4) 3.2主要元器件清单......................................................... 错误！未定义书签。 3.3系统框图 .................................................................... 错误！未定义书签。 3.3.1系统硬件框图 ..................................................... 错误！未定义书签。 3.3.2系统软件框图 ..................................................... 错误！未定义书签。4测试方案与测试结果.. (5) 5结论 (6) 3
四旋翼自主飞行器(B题) 摘要 系统以R5F100LE作为四旋翼自主飞行器控制的核心，由电源模块、电机调速控制模块、传感器检测模块、飞行器控制模块等构成。飞行控制模块包括角度传感器、陀螺仪，传感器检测模块包括红外障碍传感器、超声波测距模块、TLS1401-LF模块，瑞萨MCU综合飞行器模块和传感器检测模块的信息，通过控制4个直流无刷电机转速来实现飞行器的欠驱动系统飞行。在动力学模型的基础上，将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个PID控制回路，即位置控制回路和姿态控制回路。测试结果表明系统可通过各个模块的配合实现对电机的精确控制，具有平均速度快、定位误差小、运行较为稳定等特点。
目录 1 系统方案论证与控制方案的选择............................................................................................. - 2 - 1.1 地面黑线检测传感器............................................................................................................. - 2 - 1.2 电机的选择与论证................................................................................................................. - 2 - 1.3 电机驱动方案的选择与论证................................................................................................. - 3 - 2 四旋翼自主飞行器控制算法设计............................................................................................. - 3 - 2.1 四旋翼飞行器动力学模型..................................................................................................... - 3 - 2.2 PID控制算法结构分析.......................................................................................................... - 3 - 3 硬件电路设计与实现................................................................................................................. - 5 - 3.1飞行控制电路设计.................................................................................................................. - 5 - 3.2 电源模块................................................................................................................................. - 6 - 3.3 电机驱动模块......................................................................................................................... - 6 - 3.4 传感器检测模块..................................................................................................................... - 7 - 4 系统的程序设计......................................................................................................................... - 8 - 5 测试与结果分析......................................................................................................................... - 9 - 5.1 测试设备................................................................................................................................. - 9 - 5.2 测试结果................................................................................................................................. - 9 - 6 总结........................................................................................................................................... - 10 - 附录A 部分程序清单.................................................................................................................. - 11 -
摘要 本设计采用瑞萨R5F100LEA单片机作为主控制器。超声波传感器实时发送飞行高度数据给主控系统，主控制器通过判断、分析、处理产生控制信号进而控制各个电机，使其在不同的飞行高度具有不同的速度，保证了飞行器在某一高度范围内飞行；主控制器读取MPU6050陀螺仪的数据，通过对采集数据的分析，使飞行器做出相应的姿态调整，来保持飞行器能够平稳飞行；激光传感器能够对白色场地上的黑线进行识别，达到循迹的目的。本设计通过对飞行控制系统的总体框架设计，实现了飞行控制系统的硬件设计和软件设计，并对设计中的关键技术问题进行了研究，最终实现了四旋翼飞行器的一键启动自主飞行控制。 关键词：R5F100LEA 传感器姿态控制四旋翼飞行器
1. 四旋翼自主飞行器简介 1.1 结构形式 四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四旋翼飞行器的结构形式如图 1.1 所示。 图1.1 四旋翼飞行器结构形式 1.2 工作原理 传统直升机是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。四旋翼飞行器与此不同，是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力部稳定，所以需要一种能够长期保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。
四轴飞行器 作品说明书 摘要 四轴飞行器在各个领域应用广泛。相比其他类型的飞行器，四轴飞行器硬件结构简单紧凑，而软件复杂。本文介绍四轴飞行器的一个实现方案，软件算法，包括加速度计校正、姿态计算和姿态控制三部分。校正加速度计采用最小二乘法。计算姿态采用姿态插值法、需要对比这三种方法然后选出一种来应用。控制姿态采用欧拉角控制或四元数控制。 关键词：四轴飞行器；姿态；控制
目录 1.引言 (1) 2.飞行器的构成? (1) .硬件构成..............................................1? 机械构成 (1) 电气构成 (3) .软件构成 (3) 上位机 (3) 下位机........... . (4) 3.飞行原理........... ................................ (4) . 坐标系统 (4) .姿态的表示 (5) .动力学原理 (5) 4.姿态测量........... ................................ (6) .传感器校正 (6) 加速度计和电子罗盘 (6) 5.姿态控制 (6) .欧拉角控制 (6) .四元数控制 (7) 6.姿态计算 (7) 7.总结 (8) 参考文献 (9)
四轴飞行器最开始是由军方研发的一种新式飞行器。随着MEMS?传感器、单片机、电机和电池技术的发展和普及，四轴飞行器成为航模界的新锐力量。到今天，四轴飞行器已经应用到各个领域，如军事打击、公安追捕、灾害搜救、农林业调查、输电线巡查、广告宣传航拍、航模玩具等。 目前应用广泛的飞行器有：固定翼飞行器和单轴的直升机。与固定翼飞行器相比，四轴飞行器机动性好，动作灵活，可以垂直起飞降落和悬停，缺点是续航时间短得多、飞行速度不快；而与单轴直升机比，四轴飞行器的机械简单，无需尾桨抵消反力矩，成本低?。 本文就小型电动四轴飞行器，介绍四轴飞行器的一种实现方案，讲解四轴飞行器的原理和用到的算法，并对几种姿态算法进行比较。 2.飞行器的构成 四轴飞行器的实现可以分为硬件和软件两部分。比起其他类型的飞行器，四轴飞行器的硬件比较简单，而把系统的复杂性转移到软件上，所以本文的主要内容是软件的实现。? .硬件构成? 飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。 机械构成? 机架呈十字状，是固定其他部件的平台，本项目采用的是碳纤维材料的机架。电机采用无刷直流电机，固定在机架的四个端点上，而螺旋桨固定在电机转子上，迎风面垂直向下。螺旋桨按旋转方向分正桨和反桨，从迎风面看逆时针转的为正桨，四个桨的中心连成的正方形，正桨反桨交错安装。 CA D设计机架如图： 整体如图2-1： 电气构成 电气部分包括：控制电路板、电子调速器、电池，和一些外接的通讯、传感器模块。控制电路板是电气部分的核心，上面包含MCU、陀螺仪、加速度计、电子罗盘、气压计等芯片，负责计算姿态、处理通信命令和输出控制信号到电子调速器。电子调速器简称电调，用于控制无刷直流电机。 电气连接如图2-2所示。 .软件构成
1、引言 四轴飞行器是一种结构紧凑、飞行方式独特的垂直起降式飞行器，与普通的飞行器相比具有结构简单，故障率低和单位体积能够产生更大升力等优点，在军事和民用多个领域都有广阔的应用前景，非常适合在狭小空间内执行任务。因此四旋翼飞行器具有广阔的应用前景，吸引了众多科研人员，成为国内外新的研究热点。 本设计主要通过利用惯性测量单元（IMU）姿态获取技术、PID电机控制算法、2.4G 无线遥控通信技术和高速空心杯直流电机驱动技术来实现简易的四轴方案。整个系统的设计包括飞控部分和遥控部分，飞控部分采用机架和控制核心部分一体设计增加系统稳定性，遥控部分采用模拟摇杆操作输入使操作体验极佳，两部分之间的通信采用2.4G无线模块保证数据稳定传输。飞行控制板采用高速单片机STM32作为处理器，采用含有三轴陀螺仪、三轴加速度计的运动传感器MPU6050作为惯性测量单元，通过2.4G无线模块和遥控板进行通信，最终根据PID控制算法通过PWM方式驱动空心杯电机来达到遥控目标。 2、系统总体设计 系统硬件的设计主要分要遥控板和飞控板两个部分，遥控板采用常见羊角把游戏手柄的外形设计，控制输入采用四向摇杆，无线数据传输采用2.4G无线模块。飞控板采用控制处理核心和机架一体的设计即处理器和电机都集成在同一个电路板上，采用常规尺寸能够采用普通玩具的配件。系统软件的设计同样包括遥控板和飞控板两部分的工作，遥控板软件的设计主要包括ADC的采集和数据的无线发送。飞控板的软件的设计主要包括无线数据的接收，自身姿态的实时结算，电机PID增量的计算和电机的驱动。整个四轴飞行器系统包括人员操作遥控端和飞行器控制端，遥控端主控制器STM32通过ADC外设对摇杆数据进行采集，把采集到的数据通过2.4G无线通信模块发送至飞控端。飞控板的主要工作就是通过无线模块进行控制信号的接收，并且利用惯性测量单元获得实时系统加速度和角速度原始数据，并且最终解算出当前的系统姿态，然后根据遥控板发送的目标姿态和当姿态差计算出PID电机增量，然后通过PWM驱动电机进行系统调整来实现飞行器的稳定飞行。系统的总体设计框图如图1所示。 图1 系统总体设计框图
2015年全国大学生电子设计竞赛多旋翼自主飞行器（C题） 2015年8月15日
摘要 本文对四旋翼碟形飞行器进行了初步的研究和设计。首先，对飞行器各旋翼的电机选择做了论证，分析了实际升力效率与PWM的关系并选择了此样机的最优工作频率，并重点对飞行器进行了硬件和软件的设计。 本飞行器采用瑞萨R5F100LEA单片机为主控制器，通过四元数算法处理传感器MPU6000采集机身平衡信息并进行闭环的PID控制来保持机身的平衡。整个控制系统包括电源模块、传感器检测模块、电机调速模块、飞行控制模块及微处理器模块等。角度传感器和角速率传感模块为整个系统提供飞行器当前姿态和角速率信号，构成飞行器的增稳系统。本系统经过飞行测试，可以达到设计要求。关键字：R5F100LEA单片机、传感器、PWM、PID控制。
目录 1系统方案 (1) 1.1电机的论证与选择 (1) 1.2红外对管检测传感器的论证与选择 (1) 1.3电机驱动方案的论证与选择 (2) 2系统控制理论分析 (2) 2.1控制方式 (2) 2.2 PID模糊控制算法 (2) 3控制系统硬件与软件设计 (4) 3.1系统硬件电路设计 (4) 3.1.1系统总体框图 (4) 3.1.2 飞行控制电路原理图 (4) 3.1.3电机驱动模块子系统 (5) 3.1.4电源 (5) 3.1.5简易电子示高模块电路原理图 (6) 3.2系统软件设计 (6) 3.2.1程序功能描述与设计思路 (6) 3.2.2程序流程图 (6) 4测试条件与测试结果 (7) 4.1 测试条件与仪器 (7) 4.2 测试结果及分析 (7) 4.2.1测试结果(数据) (7) 4.2.2测试分析与结论 (8) 附录1：电路图原理 (9) 附录2：源程序 (10)
渤海大学本科毕业论文（设计）四旋翼无人机设计与制作 The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned Aerial Vehicle 学院（系）： 专业： 学号： 学生姓名： 入学年度： 指导教师： 完成日期：
摘要 四旋翼无人机飞行器因为它的结构简单，而且控制起来也很方便，因此它成为了近几年来发展起来的热门产业。在这里本文详细的介绍了四旋翼飞行器的设计和制作的过程，其中包括了四旋翼无人机飞行器的飞行原理，硬件的介绍和选型，姿态参考算法的推导和实现，系统软件的具体实现。该四旋翼飞行器控制系统以STM32f103zet 单片机为核心，根据各个传感器的特点，采用不同的校正方法对各个传感器数据进行校正以及低通数字滤波处理，之后设计了互补滤波器对姿态进行最优估计，实现精确的姿态测量。最后结合GPS控制与姿态控制叠加进行PID控制四旋翼飞行器的四个电机，来达到实现各种飞行动作的目的。在制作四旋翼飞行器的过程中，进行了大量的调试并且与现有优秀算法做对比验证，最终设计出能够稳定飞行的四旋翼无人机飞行器。 关键词：姿态传感器；四元数姿态解算；STM32微型处理器；数据融合；PID
The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned Aerial Vehicle Abstract Quad-rotor unmanned aerial vehicle aircraft have a simple structure, and it is very easy to control, so it has become popular in recent years. Here article describes in detail the design and the process of making the four-rotor aircraft, including Quad-rotor UAV aircraft flight principle, hardware introduction and selection, implementation and realization of derivation attitude reference algorithm, the system software . The Quad-rotor aircraft control system STM32f103zet microcontroller core, and the advantages and disadvantages based on the accelerometer sensor, a gyro sensor and electronic compass sensors using different correction methods for correcting various sensor data and low-pass digital filter processing, after design complementary filter to estimate the optimal posture, precise attitude measurement. Finally, GPS control and attitude control PID control is superimposed four-rotor aircraft four motors to achieve a variety of flight maneuvers to achieve the purpose. Four-rotor aircraft in the production process, a lot of debugging and do comparison with the existing excellent algorithm validation, the final design to stabilize the Quad-rotor UAV flying aircraft. Key Words：MEMS Sensor; Quaternion; STM32 Processor; Data Fusion; PID
四轴飞行器的建模与仿真 摘要 四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器,它非常适合近地侦察、监视的任务,具有广泛的军事和民事应用前景。本文根据对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽的分析和研究,在此基础上建立四旋翼飞行器的动力学模型。四旋翼飞行器有各种的运行状态,比如:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等。本文采用动力学模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。在上述研究和分析的基础上,进行飞行器的建模。动力学建模是通过对飞行器的飞行原理和各种运动状态下的受力关系以及参考牛顿-欧拉模型建立的仿真模型，模型建立后在Matlab/simulink软件中进行仿真。 关键字:四旋翼飞行器,动力学模型，Matlab/simulink Modeling and Simulating for a quad-rotor aircraft ABSTRACT The quad-rotor is a VTOL multi-rotor aircraft. It is very fit for the kind of reconnaissance mission and monitoring task of near-Earth, so it can be used in a wide range of military and civilian applications. In the dissertation, the detailed analysis and research on the rack structure and dynamic characteristics of the laboratory four-rotor aircraft is showed in the dissertation. The dynamic model of the four-rotor aircraft areestablished. It also studies on the force in the four-rotor aircraft flight principles and course of the campaign to make the research and analysis. The four-rotor aircraft has many operating status, such as climbing, downing, hovering and rolling movement, pitching movement and yawing movement. The dynamic model is used to describe the four-rotor aircraft in flight in the dissertation. On the basis of the above analysis, modeling of the aircraft can be made. Dynamics modeling is to build models under the principles of flight of the aircraft and a variety of state of motion, and Newton - Euler model with reference to the four-rotor aircraft.Then the simulation is done in the software of Matlab/simulink. Keywords: Quad-rotor，The dynamic mode, Matlab/simulink
1、互补滤波算法 互补滤波器作为一种频域滤波器，常用于融合来自不同传感器测量得到的数据。一般地，互补滤波器包含至少两种频率特性互补的输入信号。例如，对于陀螺仪和加速度计解算姿态这一双输入系统，两个输入量都能分别对姿态角进行解算，其中加速度计输入量包含高频，应通过低通滤波器来滤除；陀螺仪则包含低频噪声（积分漂移），应采用高频滤波器滤队。两者的频率特性互补，可用互补滤波思想进行姿态解算，最终输出较准确信号。 2、四元数表示姿态角 运用互补滤波与卡尔曼滤波思想进行姿态整合的过程归根结底都是利用加速度计解算出的姿态角去修正陀螺仪积分的漂移误差. 这两种方法在姿态融合过程中姿态角的表示形式都是欧拉角表示.但是用欧拉角进行姿态解算在大角度计算时会出现万向节锁(角度为90度时加速度计进行姿态解算的反三解函数无解),为了避免该问题,可采用四元数来解算姿态. 四元数的优点： ·四元数不会存在欧拉角的万向节死锁的问题 ·四元数由4个数组成2个四元数之间更容易插值 ·对四元数规范化正交化计算更加容易 3、MPU6050 DMP内部四元数解算功能 运动控制传感器MPU6050提供了DMP内部四元数解算功能，可以直接输出四元数数据。它除了提供三轴陀螺仪和三轴加速度计传感器的16位ADC信号采集功能之外，还集成了数字低通滤波器和数字运动处理DMP，可以直接输出经低通滤波处理和四元数姿态解算后的四元数数据。将该四元数转换为欧拉角，可以得到准确的俯仰角和橫滚角。 4、PID 控制
由自动控制原理可知，采用角速度反馈闭环控制可有效增加系统稳定性，因此，在进行状态角控制之前需设计姿态角速度增稳内环控制。同时，系统最终控制量为空间位置，因此需要增加外环位置控制。由此得到四轴飞行器俯仰角方向整体控制结构： 4.1、PID 控制 比例控制指的是使用一个比例系数对输入量与期望量的差进行放大或缩小。不过单纯的比例控制会产生静态误差（误差不会收敛于0），所以这时要加入积分控制，对误差进行积分再乘以积分系数，误差累计越大积分控制的比重越大。其优点是可以消除静态误差；其缺点是不稳定，会使系统产生振荡。微分控制是预测系统的变化趋势。当输入的数据缓慢变化时微分项不起作用，当产生一个阶跃响应瞬间发生变化时，微分项发挥作用，做“超前控制”。 4.2串级PID 当将两个PID串联起来,用第一个PID的输出量作为第二个PID的输入量,第一个PID的期望量为期望达到的角度,第二个PID的期望量为此时该轴的角速度,角度环为1级PID为外环,角速度环为2级PID为内环 串级PID较单级PID的优点是,作为内环的角速度由陀螺仪采集数据输出,采集值一般不存在受外界影响的情况,抗干扰能力强,并且角速度变化灵敏,当受外界干扰时,回复迅速,这样使四轴在飞行时抗干扰能力强,飞行更稳定. 4.3PID调试过程详解--P64
四旋翼飞行器飞行控制系统设计开题报告
集美大学信息工程学院 毕业设计（论文）开题报告 设计题目：四旋翼飞行器飞行控制系统设计 专业通信工程班级通信1012 姓名 xxx 学号xxx
设计方案如下： 1、利用atmega 2560单片机开发飞行控制系统，采集传感器数据，计算飞机姿态， 通过PWM控制电调实现飞行控制。 2、Atmega 2560 单片机将实时传感器的数据通过串口输出给s5pv210(Cortex-A8) 嵌入式系统,在通过无线网卡发送给地面站。 3、S5pv210采集摄像头数据，H.264编码完通过RTSP协议传给地面站。 补充对系统框图的说明。。。。。。 计划进度安排ATmega2 560 加速度计、陀螺 I2 电调无刷电 S5PV210 嵌入式 串 无线 摄 PW 云台 PW V4
(1)2014年2月17日起至2014年2月28日： 查阅本学科最新发展动态和最新研究论文；根据任务书撰写开题报告，完成5000字的英译汉； (2)2014年3月1日起至2014年3月20日： 学习Linux操作系统驱动编程，编写Linux系统应用； (3)2014年3月21日起至2012年4月10日： 完成对互补滤波器算法研究，用互补滤波器对陀螺仪测量误差进行矫正，并学习互补滤波器融合系数的确定方法; 学习基于欧拉角反馈的PID 控制器进行姿态控制算法; (4)2014年4月11日起至2014年5月15日： 设计四旋翼飞行器飞行控制系统的软硬件实现,完成调试、测试、优化结果； (5)2014年5月15日起至2014年6月10日： 完成毕业设计论文；准备相应的电子文档，完成毕业答辩。 指导教师意见 该同学对毕业设计的任务明确，提出的设计方案和技术路线可行，计划进度安排合理，同意开题。 指导教师签名： 20年月日
四轴飞行器毕业设计论文 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
毕业论文 基于单片机的四轴飞行器 夏纯 吉林建筑大学 2015年6月
毕业论文 基于单片机的四轴飞行器 学生：夏纯 指导教师：许亮 专业：电子信息工程 所在单位：电气与电子信息工程学院答辩日期： 2015 年6月
目录 摘要.......................................................... I ABSTRACT ...................................................... II 第1章绪论. (1) 论文研究背景及意义 (1) 国内外的发展情况 (2) 本文主要研究内容 (4) 第2章总体方案设计 (5) 总体设计原理 (5) 总体设计方案 (5) 系统硬件电路设计方案 (5) 各部分功能作用 (6) 系统软件设计方案 (7) 第3章系统硬件电路设计 (8) Altium Designer Summer 09简介 (8) 总体电路设计 (8) 遥控器总体电路设计 (8) 飞行器总体电路设计 (10) 各部分电路设计 (10) 电源电路设计 (10) 主控单元电路设计 (12)
无线通信模块电路设计 (13) 惯性测量单元电路设计 (16) 电机驱动电路设计 (18) 串口调试电路设计 (19) PCB设计 (21) PCB设计技巧规则 (21) PCB设计步骤 (22)
编号： 项目结题报告 项目名称： 项目负责人：学号： 联系电话：电子邮箱： 院系及专业： 指导教师：职称： 联系电话：电子邮箱： 院系及专业： 填表日期：年月日
二、指导教师意见 三、项目专家组意见 四、项目成果
四轴飞行器设计 摘要 四轴飞行器具备垂直起降飞行器的所有优点，又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点，具有广阔的应用前景。可应用于军事上的地面战场侦察和监视，获取不易获取的情报。能够执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。工业上可以用在安全巡检，大型化工现场、高压输电线、水坝、大桥和地震后山区等人工不容易到达空间进行安全任务检查与搜救工作，能够对执行区域进行航拍和成图等。因此，四轴飞行器的研究意义重大。 本文主要讨论四轴飞行器的设计实现。首先从历史的角度介绍小型四轴飞行器的发展以及研究成果，引入现代四轴飞行器的研究，以及运用现代控制理论进行的研究方法和所取得成果。其次给出本项目所设计的四轴飞行器样机模型与飞行控制器电路设计。着重从机械结构与飞行控制器硬件电路设计方面论述四轴飞行器的样机设计。文中详细分析了机械结构设计中的选材以及元器件选型，实现了一个切实可用，能够满足应用研究的四轴飞行器样机模型。一个稳定可用的样机模型是实现四轴飞行器的基础。之后分析四轴飞行器的飞行控制原理，分析其飞行姿态原理。对控制器中需要用到姿态角求解部分进行了详细论述。姿态角的求解在整个四轴飞行器设计中也是核心内容之一。通过软件设计实现飞行控制器方案。最后对飞行器各性能指标进行考察，进行实地飞行、调试优化飞行器软件控制器设计 关键词：四轴飞行器，飞行控制器，无人机。 一.课题背景 1.1背景：四轴飞行器，一个陌生新奇的东西慢慢地走入我们小组的生活。四轴飞行器现在是科学家想要完成突破的重要课题，但是不免遇到了很多实用性的技术难题，研究与实践应用之间还是有一定的距离的。但普通的四轴飞行器在现在已经不是我们触不可及的高精尖的科技，它现在已经成为大学生进行科技创新的一个训练，成为我们提高自身科技技术水平的桥梁；对于研究人员，他们在微电子领域不断地提高四轴飞行器的质量，增强它的功能；而很多电子爱好者也已经能够熟练地掌控四轴飞行器。 虽然现在研发的四轴飞行器有尺寸较小，运动灵活等优势，但是四轴飞行器也遇到了一些技术上的难题如载重量小，续航时间较短，产生恼人的噪音等等。对四轴飞行器的设计与优化，需要空气动力学与自动控制等方面的人才，而现在我们的小组没有对这些方面的涉猎，但我们可以在网络上获取大量的相关资源与技术支持，虽然我们有时找不到思路，但是我们并不是在未知中探索。慢慢地我们的困难会一点点被克服。四轴飞行器已经作为新兴的遥控航拍机进入了人们的生活，与其他的电子产品相同，它会逐渐开始普及，变得越来越先进。解决现在遇到的种种问题，并实现现在人们提出的假想。 当然，四轴飞行器在商业，农业，军事，消防，工业方面的前景是非常广阔的，例如商业上，技术人员可以通过增大其载重降低其噪音来使用四轴飞行器发放快递，传递信息；农业上可以进行田地的勘测，而装有太阳能电池板的四轴飞行器可以节能的进行种子的播撒；对于军事，四轴飞行器有着可怕的前景，四轴飞行器可以制作成与小型鸟类一样的大小，并使用透明机体，这样就可以达到一系列军事目的，如果在四轴飞行器携带炸弹或更恐怖的武器，后果不堪设想；关于消防，四轴飞行器由于动作灵活可已进行快速地勘测与救援；而在工业方面四轴飞行器可以在大型化工厂，高压输电线，地震后山区等人工不易到达的区域进
2014-2015年大学生创业新基金项目结题论文 作品名称：用于作物生长监测的飞行机器人 学院：工学院 指导老师：孙磊 申报者姓名（团队名称）：李家强、梁闪闪、谈姚勇 二〇一五年五月
目录 摘要 (3) 关键词 (3) 引言 (3) 多旋翼农用无人机的发展简史 (4) 作品设计方案 1.1 飞行器的结构框架和工作原理 (5) 1.2 硬件选择 (6) 1.3硬件电路设计 1.3.1：主控模块 (7) 1.3.2：姿态传感器模块 (8) 1.3.3：电源模块 (9) 1.4 软件系统设计 1.4.1：总体设计 (9) 1.4.2：姿态解算实现 (10) 参考文献 (11) 附件1：作品实物图 (12) 附件2：原件清单 (13) 附件3 电路原理图 (14) 附件4 部分程序（遥控器） (15)
关于作物成产检测的飞行机器人的研究报告 作者：李家强、梁闪闪、谈姚勇指导老师：孙磊 （安徽农业大学工学院合肥市长江西路130号 230036） 摘要:四旋翼飞行器通过排布在十字形支架四个顶端的旋翼，产生气动力，控制飞行器的升降、倾斜、旋转等。本文主要讨论四旋翼飞行器所选用的单片机类型，以及选用此款单片机的原因。通过PWM技术来调节飞行器的飞行状态，以MPU-6050为惯性测量器件。所形成的飞行控制系统使得飞行器能达到较平稳的飞行姿态。整体采用无线遥控控 制，无线频波为2.51GHZ。 关键词：四旋翼飞行器、作物检测、飞行时间、飞行距离 Abstract:through four rotor aircraft configuration at the top of the cross-shaped bracket four rotor, aerodynamic force, control aircraft movements, tilt, rotation, etc. This article focuses on four rotor aircraft chooses the types of single chip microcomputer and choose this single chip microcomputer. Through the PWM technology to adjust the aircraft's flight status, inertial measurement device for MPU - 6050. Formed by makes the aircraft flight control system can achieve a smooth flight. Overall the wireless remote control, wireless 2.51 GHZ frequency wave. Keywords: four rotor aircraft, crop detection, time of flight, flight distance 引言：随着我国的经济迅速发展，农业种植的规模化、机械化、信息化。但是现阶段的农业生产中存在着一些很棘手的问题。例如农作物的病虫害的实时监控这个问题以及作物生长情况采样分析等。而飞行机器人可以利用自身携带的航拍工具在操作人员制定的地块进行拍摄，通过无线接收装置可以在操控室的接收显示屏播放航拍发送回来的图片和视频。此作品飞行距离可达到2000米，留空时间可达30分钟。故而此作品完全可以实时监测农作物的病虫害的发展以及采取大量有效的作物生长数据。
冯如杯论文 《四旋翼飞行器的设计与控制》 院（系）名称机械工程及自动化学院 作者姓名薛骋豪 学号35071422 指导教师梁建宏 2008年3月22日
四旋翼飞行器的设计与控制 薛骋豪 摘要 四旋翼直升机，其主旋翼分成前后与左右两组，旋转时方向相反，因此与一般直升机最主要的不同点为四旋翼直升机不需要用尾旋翼来平衡机体。因为四旋翼直升机为不稳定系统，因此需利用旋转专用的感测器：陀螺仪来感知机身的平衡程度并将讯号传送至微控制器，再通过微控制器内部程序的运算产生控制信号来控制机体上四个旋翼的转速，以维持整个机身的平衡促使四旋翼直升机能顺利飞行。 关键词：四旋翼、VTOL（垂直起降）、矩阵控制、 Abstract Quadrotor, its main rotor divides into with two about groups from beginning to end, in opposite direction while rotating, so Quadrotor and does not need to fasten the wing and having the balance organism for four with the end with the main difference of general helicopter. Whether four fasten wing helicopter stable system, need to utilize and rotate the special-purpose detecting device. The gyroscope comes to perceive balancing the degree and conveying the signal to the little controller of the fuselage, and then produce the control signal to control four rotational speed of fastenning the wings on the organism through the operation of the procedure within the little controller, impel four to fly smoothly while Quadrotor for the balance of maintaining the whole fuselage. Key words: Quadrotor、VTOL(Vertical Take-Off and Landing)、matrix control