本科毕业论文（设计）
题目基于DSP的四旋翼无人飞行器设计
学院电XXXXXXXXX学院
专业通信工程
年级 2011 级
学号 XXXXXXXXXXXXXXX
姓名 XXXXXXX
指导教师 XX
成绩
年月日
目录
摘要： (1)
Abstract： (1)
第一章导论 (2)
1.1四旋翼飞行器技术 (2)
1.2四旋翼飞行器技术发展历史 (2)
1.3 四旋翼飞行器发展的现状 (3)
1.4 微小型四旋翼飞行器发展的关键技术 (3)
1.4.1最优化总体设计 (3)
1.4.2动力与能源 (3)
1.4.3数学模型的建立 (4)
1.4.4飞行控制 (4)
1.5论文内容安排 (4)
第二章四旋翼无人飞行器系统硬件设计 (6)
2.1系统方案介绍 (6)
2.2主要器件介绍 (6)
2.2.1 TMS320F28335介绍 (6)
2.2.2 MPU6050介绍 (7)
2.2.3 HMC5883L介绍 (7)
2.2.4 BMP085介绍 (8)
2.2.4 PTN78000W介绍 (9)
2.2.5 WIFI模块 (9)
2.3系统硬件概述 (10)
2.4方案选择 (11)
2.4.1方案设计 (11)
2.4.1方案比较 (11)
2.5硬件平台总体设计 (12)
2.5.1电机控制电路 (12)
2.5.2 MPU6050+ HMC5883九轴数据采集 (12)
2.5.3 WIFI无线通信电路 (13)
2.5.4电源电路 (13)
第三章四旋翼无人飞行器系统软件设计 (15)
3.1四旋翼飞行器系统飞控软件设计 (15)
3.1.1四旋翼飞行器运动分析 (15)
3.1.2四旋翼飞行器数学建模 (15)
3.1.3自主飞行控制算法的设计 (16)
3.1.4程序流程图 (17)
3.2基于Labview上位机软件设计 (17)
3.2.1 Labview介绍 (17)
3.2.2基于Labview上位机结构介绍 (18)
第四章硬件电路制作和调试 (23)
4.1 硬件电路的制作 (23)
4.2 硬件调试 (24)
4.3 软件调试 (24)
4.3.1飞控软件调试 (24)
4.3.1上位机软件调试 (24)
第5章总结 (26)
参考文献： (27)
致谢 (28)
基于DSP的四旋翼无人飞行器设计
XXX
XX大学电子信息工程学院，重庆 400715
摘要：本文以四旋翼飞行器为研究对象，以TMS320F28335为核心，搭建飞行器硬件平
台，实现四旋翼飞器的姿态控制。详细介绍了控制系统的总体构成以及硬件设计方法，
包括传感器模块、无线通信模块和电机模块；采用基于RBF神经网络整定的PID控制策
略，最终实现了飞行器的垂直起降、稳定悬停和便携设备超远程控制。
关键词：四旋翼飞行器；控制系统；DSP
Quadrotor UAV Control System Based on DSP
XXXX xxxx
School of Electronic and Information Engineering, XXXXXX University, Chongqing 400715, China
Abstract：This dissertation focuses the development of the control system of Quadrotor UAV using TMS320F28335, including the design of hardware platform of UA V and the development of attitude control. The overall structure of control system and hardware design methods, including sensor module, wireless communication module and the motor module, are introduced in detail. RBF neural network tuning PID control strategy was employed, and the designed UA V can vertically take off (or land), hover, carry load, and be controlled remotely.
Key words: Quadrotor UA V; control system; DSP
第一章导论
1.1四旋翼飞行器技术
四旋翼飞行器，也称四旋翼直升机或十字翼直升机，是由 4 个转子推动飞行的直升机。通过改变每个转子的相对速度改变推力，从而改变每个扭矩实现对方向和速度的控制。四旋翼飞行器发展了近一个世纪，从原来机械时代直径十几米长、几米高的庞然大物，到当今电子时代直径几十厘米甚至更小的微型“碟形”飞行器。其实用性也从原来单纯的运载工具，发展为现在集军用、商用、民用多位一体的无人驾驶工具[1]。
1.2四旋翼飞行器技术发展历史
四旋翼飞行器的设计有两个阶段。在第一个阶段即20世纪初，法国科学家和院士Charles Richet制造了一个小型无人直升机，虽然该机不是很成功，但是启发了他的一个学生Louis Bréguet。1906年下半年，Louis和Jacques Bréguet在Richet教授的指导下做他们自行设计的直升机试验。1907年，Bréguet 兄弟制作了他们第一个载人四旋翼飞行器-Bréguet-Richet Gyroplane No.1，旋翼直径大约8.1米，载人时重约578千克。在法国Douai首次试飞，载人飞行高度1.5米。飞行员除了能控制发动机的油门来改变转子的转速外，无法进行任何操作，而且稳定性很差。然而，当时飞行器只是处于起步阶段，很显然Bréguet 兄弟在实现垂直飞行方面已取得了显著的成就。
这一阶段设计出了载人四旋翼飞机，这是第一批成功的可垂直起降的飞行器。然而，早期的原型机表现欠佳，后来的原型机稳定性比较差，实用性和操控性低，所以载人四旋翼飞行器的发展几乎停滞。
第二个阶段即从21世纪初开始至现在，四旋翼飞行器的动力能源采用电动，逐渐被各国所接受，主要是无人机(Unmanned Aerial Vehicles，UAV)，广泛应用于军事、商业和工业领域。无人机主要包括两大类：固定翼无人机和旋翼无人机。旋翼无人机在许多方面要优于固定翼飞行器：具有更高的自由度、低速飞行的能力、悬停、室内应用等。四旋翼飞行器作为旋翼无人机中的佼佼者具有其他飞行器难以比拟的优点：可垂直起降(Vertical Take Off and Landing，VTOL)；执行精确缓慢的运动、悬停；拥有更大的载荷量和良好的操控性；能以各种姿态飞行，如前飞侧飞和倒飞；尤其可以在多障碍和狭小的空间穿越飞行。这些优势使四旋翼飞行器在执行搜救和侦察等任务方面游刃有余，决定了四旋翼飞行器具有更广阔的应用前景。四旋翼飞行器作为一种具有独特飞行性能的无人机，正越来越受到人们的重视，迅速成为国际上新的研究热点。
MD4-200是德国microdrones公司研发的微型无人飞行器，机体和云台完全
采用碳纤维材料制造，这种材料拥有更轻的重量和更高的强度，也使MD4-200具有抗电磁干扰的能力。飞行时间不低于20分钟。MD4-200的核心是AAHRS（姿态、高度及航向参考系统），集成了加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、湿度计、温度计等多种高精度传感器和卓越的控制算法，md4-200的操控因而变得非常简单。可制定飞行航线规划，让飞行器按照预设的航线自动飞行。采用选配的GPS系统能够实现空间位置锁定与自动航点导航功能，还可以选择以microSD卡作为记录器的飞行记录仪来实时记录和分析飞行数据，所有重要的飞行数据都可以下载到数据中心，包括电池状态、高度、姿态、位置、飞行时间等，用于航后的数据分析。MD4-200还具有安全保护措施以避免坠毁，它能够在电量不足和失去控制信号时自主降落[2]。
1.3 四旋翼飞行器发展的现状
四旋翼飞行器，也称四旋翼直升机或十字翼直升机，是由4个转子推动飞行的直升机。通过改变每个转子的相对速度改变推力，从而改变每个扭矩实现对方向和速度的控制。四旋翼飞行器发展了近一个世纪，从原来机械时代直径十几米长、几米高的庞然大物，到当今电子时代直径几十厘米甚至更小的微型“碟形”飞行器。其实用性也从原来单纯的运载工具，发展为现在集军用、商用、民用多位一体的无人驾驶工具。目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上属于微型无人飞行器，一般可以分为3类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。
目前，国内的四旋翼飞行器的发展还处于初级发展阶段，缺乏独自的核心技术，能应用于专业领域的相关产品未大批量生产。国外的四旋翼因拥有悠久的科学文化历史和研发团体机构，加快了多旋翼飞行器发展。欧美发达国家四旋翼飞行器已投入了商业、军事领域，获得了显著的效果[3]。
1.4 微小型四旋翼飞行器发展的关键技术
迄今为止，微小型四旋翼飞行器基础理论与实验研究已取得较大进展，但要真正走向成熟与实用，还面临着诸多关键技术的挑战。
1.4.1最优化总体设计
进行微小型四旋翼飞行器总体设计时，需要遵循以下原则：重量轻、尺寸小、速度快、能耗和成本低。但这几项原则相互之间存在着制约与矛盾，例如：飞行器重量相同时，其尺寸与速度、能耗成反比。因此，进行微小型四旋翼飞行器总体设计时，首先要根据性能和价格选择合适的机构材料，尽可能地减轻飞行器重量；其次，需要综合考虑重量、尺寸、飞行速度和能耗等因素，确保实现总体设计的最优化。
1.4.2动力与能源
动力装置包括：旋翼、微型直流电机、减速箱、光电码盘和电机驱动模块，
能量由机载电池提供。微小型四旋翼飞行器的重量是影响其尺寸的主要因素，而动力与能源装置的重量在整个机体重量中占了很大比例。因此，研制更轻、更高效的动力与能源装置是进一步微小型化四旋翼飞行器的关键。
另一方面，动力装置产生升力时，消耗了绝大部分机载能量。要提高飞行器的效率，关键在于提高动力装置的效率。除尽量提高机械传动效率外，还必须选择合适的电机与减速比在兼顾最大效率和最大输出功率两项指标的前提下将电机工作点配置在推荐运行区域内[4]。
1.4.3数学模型的建立
为实现对微小型四旋翼飞行器的有效控制，必须准确建立其在各种飞行状态下的数学模型。但是飞行过程中，它不仅同时受到多种物理效应的作用(空气动力、重力、陀螺效应和旋翼惯量矩等)，还很容易受到气流等外部环境的干扰。因此，很难建立有效、可靠的动力学模型。此外，所使用的旋翼尺寸小、质量轻、易变形，很难获得准确的气动性能参数，也将直接影响模型的准确性。建立四旋翼数学模型时，还必须深入研究和解决低雷诺数条件下旋翼空气动力学问题。微型飞行器空气动力学特性与常规飞行器有很大的不同，当前许多空气动力学理论和分析工具均不适用，需要发展新的理论和研究手段。
1.4.4飞行控制
微小型四旋翼飞行器是一个具有六自由度(位置与姿态)和4个控制输入(旋翼转速)的欠驱动系统，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，使得飞行控制系统的设计变得非常困难。此外，控制器性能还将受到模型准确性和传感器精度的影响。姿态控制是整个飞行控制的关键，因为微小型四旋翼飞行器的姿态与位置存在直接耦合关系(俯仰／横滚直接引起机体向前后／左右移动)，如果能精确控制飞行器姿态，则采用P I D控制律就足以实现其位置与速度控制。国际相关研究都着重进行了姿态控制器的设计与验证，结果表明：尽管采用非线性控制律能够获得很好的仿真效果，但由于对模型准确性有很强的依赖，其实际控制效果反而不如PID。因此，研制既能精确控制飞行器姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。
本文的方案是以TMS320C28335为主控芯片，利用加速度计、惯性传感器和陀螺仪传感器形成系统飞控硬件模块，通过PID（比例（proportion）、积分（integral）、微分（derivative））算法控制四旋翼进行控制操作；外加摄像头，湿度传感器等传感器作为功能模块实现信息采集；最后利用无线模块实现远距离全双工通信功能[5]。
1.5论文内容安排
本文以四旋翼无人飞行器系统为主体，分别从硬件和软件对整个设计方案详
细介绍。具体的章节和各章的内容安排如下：
第一章：介绍本论文的研究意义，在四旋翼无人飞行器技术的现状和特点的基础上，确定了本文所做的主要工作。
第二章：介绍了系统的硬件设计，确定了系统功能和设计方案，详细介绍了器件的选择和各模块电路。
第三章：介绍了系统软件设计。
第四章：介绍了系统调试所做的工作。
第五章：总结本设计取得的一些成果，并对课题发展进行了展望。
第二章四旋翼无人飞行器系统硬件设计
2.1系统方案介绍
本设计利用TMS320F28335强大的运算和控制能力，通过九轴姿态采集模块实现四旋翼飞行器飞行状态原始数据采样，再通过TMS320F28335进行加速度和角速度数据融合和卡尔曼滤波处理，实现四元数输出，得到姿态实时数据。每次数据采集和处理均放在定时器中处理，以实现精确、准时采集和处理。最后通过PID算法等数据处理实现飞控器的姿态控制用以达到四旋翼的悬浮等操作，设计中充分运用了TMS320F28335强大的浮点运算能力得以实现。
2.2主要器件介绍
2.2.1 TMS320F28335介绍
TMS320F28335型数字信号处理器TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP 控制器。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。
TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出 (HRPWM)，12位16通道ADC。得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSP相比，平均性能提高50%，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。
F28335在保持150MHz时钟速率不变的情况下，新型F28335浮点控制器与TI前代领先数字信号控制器相比，性能平均提高50%。与作用相当的32位定点技术相比，快速傅立叶转换（FFT）等复杂计算算法采用新技术后性能提升了一倍之多[6]。
图2-1：TMS320F28335
Figure 2-1：TMS320F28335
2.2.2 MPU6050介绍
MPU-6000（6050）为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。
1、感测范围：MPU-6000（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或最高达20MHz的SPI（MPU-6050没有SPI）。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%（MPU6000仅用VDD）。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。
2、应用：运动感测游戏现实增强电子稳像 (EIS: Electronic Image Stabilization) 光学稳像(OIS: Optical Image Stabilization) 行人导航器“零触控”手势用户接口姿势快捷方式认证
3、市场：智能型手机平板装置设备手持型游戏产品游戏机 3D遥控器可携式导航设备
4、特征：以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算数据。具有131LSBs/°/sec敏感度与全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec的3轴角速度感测器(陀螺仪)。可程式控制，且程式控制范围为±2g、±4g、±8g和±16g的3轴加速器。移除加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移。数字运动处理(DMP: Digital Motion Processing)引擎可减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷。运动处理数据库支持Android、Linux与Windows 内建之运作时间偏差与磁力感测器校正演算技术，免除了客户须另外进行校正的需求。以数位输出的温度传感器以数位输入的同步引脚(Sync pin)支援视频电子影相稳定技术与GPS可程式控制的中断(interrupt)支援姿势识别、摇摄、画面放大缩小、滚动、快速下降中断、high-G中断、零动作感应、触击感应、摇动感应功能。VDD供电电压为2.5V±5%、3.0V±5%、3.3V±5%；VDDIO为1.8V± 5% 陀螺仪运作电流：5mA，陀螺仪待命电流：5µA；加速器运作电流：350µA，加速器省电模式电流： 20µA@10Hz 高达400kHz快速模式的I2C，或最高至20MHz的SPI串行主机接口(serial host interface) 内建频率产生器在所有温度范围(full temperature range)仅有±1%频率变化。使用者亲自测试10,000g碰撞容忍度为可携式产品量身订作的最小最薄包装(4x4x0.9mm QFN)符合RoHS及环境标准[7]。
2.2.3 HMC5883L介绍
霍尼韦尔HMC5883L是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁
传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。HMC5883L包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1°~2°的12位模数转换器。简易的I2C系列总线接口。HMC5883L是采用无铅表面封装技术，带有16引脚，尺寸为3.0X3.0X0.9mm。HMC5883L的所应用领域有手机、笔记本电脑、消费类电子、汽车导航系统和个人导航系统[8]。
表2-1芯片参数说明：
The table 2-1 shows the parameters of chip：
磁场范围满量程（FS）-全部施加磁场（典型）-8 +8 高斯（gauss）
磁场动态3-bit增量控制±1 ±8 高斯线性±2.0高斯输入范围0.1 ±%满量程解析时间VDD=3.0V,GN=2 5 毫高斯启动时间I2C控制准备时间200 us 磁带±2.0高斯输入准备时间±25 ppm
纵向灵敏度测试条件：总想区域=0.5gauss，
Happlied=±3gauss
±2% %FS/Gauss
输出速率持续测量模式
单一测量模式0.75 75
160
Hz
Hz
开关时间I2C指令等待200 us 测量周期从接收指令到数据准备 6 ms 增益公差所有增益/动态范围设置±5 %
I2C地址7bit地址
8bit读取地址
8bit写入地址0x1E
0x3D
0x3C
hex
hex
hex
I2C率由I2C主机控制400 kHz
I2C滞后性施密特触发器脉冲输入在SCL和
SDA上的滞后性-下降（VDDIO=1.8V）
上升（VDDIO=1.8V）0.2*VDDIO
0.8*VDDIO
V
V
自测试X&Y轴
Z轴±1.16
±1.08
V
V
X&Y轴（CN=100）
Z轴(GN=100)
510 LSb
2.2.4 BMP085介绍
BMP085作为新一代高精度气压传感器与SMD500的功能和引脚是完全兼容的。通用的SMD500/BMP085C代码(BMP085-SMD500-API)与SMD500也是兼容的，但是要注意器件ID。正在使用SMD500气压传感器的用户如果打算使用BMP085气压传感器并得到第一手资料，请尽快联系BOSCH公司。
BMP085的低功耗、低电压的电学特性使它可以很好的适用于手机、PDA、GPS
导航器件以及户外装备上。BMP085在低的高度噪声（merely0.25）快速转换的情况下，表现很好。
BMP085是基于压阻效应技术的，具有稳定的电磁兼容性、高精度、线性性以及稳定性。Bosch公司的气压传感器（在自动控制应用领域）是世界市场上的领军，基于200百万气压传感器这制造经验，BMP085继续了新一代的微型气压传感器[8]。
关键特性：
1、压力范围：300~1100hpa（+9000m~-500m海拔高度）；
2、电压范围：1.8V~3.6V（VDDA），1.62~3.6V（VDDD）；
3、封装大小：长宽5*5mm高1.2mm；
4、Low power、Low noise；
5、内含温度测量--I2C接口；
6、全标准（内含标准数据校准）；
7、MSL1
2.2.4 PTN78000W介绍
PTN78000是一系列的高效率，降压集成开关稳压器（ISR），在系列产品中受欢迎的78ST100第三代演变。新的设计考虑了78ST100，PT78ST100，PT5100，和PT6100系列单列直插引脚（SIP）的产品。PTN78000是比它的之前系列产品更小更轻，并具有类似的或改进的电气性能特点。在要求体积小的情况下，双面封装，也具有更好的热性能，符合RoHS和无铅。
运作在宽输入电压范围，提供了高效的PTN78000，设置使用一个外部电阻器降压电压转换为高达1.5A的输出电压的负载。PTN78000w可设置范围内的任何值2.5V至12.6V，和从11.85 V到22V的输出电压的PTN78000w的PTN78000h 可低至2V低于输入，允许工作到7V，在5V的输出电压的ptn78000h输出电压可低至3V低于输入，允许运行到15V，12V的输出电压。
PTN78000具有欠压锁定和积分/关闭抑制。该模块是适用于各种各样的通用应用程序，用12V，24V，或28V电压供电[9]。
图2-2：PTN7800w
Figure 2-2：PTN7800w
2.2.5 WIFI模块
USR-WIFI232-T超低功耗嵌入式WIFI模组提供了一种将用户的物理设备连
接到WIFI无线网络上，并提供UART串口等接口传输数据的解决方案。该模组硬件上集成了MAC，基频芯片，射频收发单元，以及功率放大器；嵌入式的固件则支持WIFI协议以及配置，以及组网的TCP/IP协议栈。USR-WIFI232-T是一款一体化802.11b/g/nWIFI的低功耗解决方案，通过USR-WIFI232-T模组，传统的低端串口或MCU控制的设备均可以很方便的接入WIFI无线网络，从而实现物联网控制与管理。
USR-WIFI232-T采用业内最低功耗嵌入式结构，并针对智能家具，智能电网，手持设备，个人医疗，工业控制等这些低流量低频率的数据传输领域的应用，做了专业的优化。
USR-WIFI232-T是一款集成了所有WIFI功能的小巧模块，尺寸仅22mm x 13.5mm x 6mm。针对照明和插座等应用领域采用了1x10管脚2mm插针连接器，易于焊装在客户产品的硬件单板电路上。模块配备有特制的焊盘或外置天线连接器，适于各种外置天线的应用[10]。
2.3系统硬件概述
四旋翼无人飞行器系统主要包括：DSP最小系统、六轴传感器、气压计、电子罗盘、电调、电机、机架、机翼和电源。其结构框图如图1所示，DSP采用TMS320F28335，它是整个系统控制的核心部件。六轴传感器、气压计、电子罗盘作为系统对飞行器姿态和空间状态的数据采集。电源采用PTN7800w将12v电池转3.3V的直流。至于如何进行飞行姿态的数据采集、姿态控制和电源稳定供电，它的选择直接影响整个系统的效果，下一节将介绍有关于这方面的选择，这里就不做介绍。
图2-3：系统样式
Figure 2-3: System style
2.4方案选择
2.4.1方案设计
根据设计题目基于DSP的四旋翼无人飞行系统的设计可知，系统采用的是DSP为控制器件，通过其强大的浮点运算单元，可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSP相比，平均性能提高50%。利用高精度HRPWM控制四旋翼，能够更好实现算法要求，达到设计目标。为此提出了关于两种实现四旋翼无人飞行器系统的设计方案，下面将一一为大家介绍。
方案一：原始传感器数据处理融合、卡尔曼滤波和PID姿态控制
在运动控制系统中，传统上就往往将速度传感器测量到的速度和加速度计测量到的加速度进行单独处理，没有将两者的信息进行数据融合。由物理定律可知，加速度与速度成导数关系，所以两者的数据是存在内在联系的，完全可以根据信息融合理论对两者数据进行综合处理，从而得到更加准确的结果。卡尔曼滤波器是常用的一种数据融合技术，它利用迭代递推计算的方式，对存贮空间要求很小。再利用PID算法将采集得到的姿态数据进行控制处理实现飞行器的平稳可控飞行。
方案二：利用MPU6050内部基础DMP、PID控制算法
通过查阅MPU6050芯片资料，内部集成了DMP运动处理器，可以最六轴数据直接进行处理得到四元数数据，最后通过I2C输出到DSP芯片中。再结合电子罗盘和气压计传感器得到的数据再进一步融合就得到了飞行器的实时姿态数据。最后利用PID算法将采集得到的姿态数据进行控制处理实现飞行器的平稳可控飞行。
2.4.1方案比较
1）复杂性：方案一采取用原始数据融合，卡尔曼滤波算法等操作；而这些过程在方案二中使用DMP和简单数据融合操作就可以代替，所以方案二设计简单。
2）准确性：方案一和方案得到的数据通过查阅数据手册都是一样结果，比较精确，并且响应速度快。
3）局限性：由于方案一中使用的DSP处理程序比较复杂，因为涉及到现代信号处理超出了我们的学习范围，而方案二传感器内部数据处理就使程序简单化了。
综合以上理由，本系统选择方案二。
2.5硬件平台总体设计
硬件平台大致可以分为4个部分：核心部分（TMS320F28335）、传感器部分
（MPU6050、HMC5883L 、BMP085）、电源供电部分、机架和机翼部分。
总体设计框图如图2-3所示： TMS320F283353S 2200mA
电池电源电调A 电调B 电调C 电调D 无刷电机A
无刷电机B
无刷电机C
无刷电机D Buck 电源转换输出5v/3.3v
四路pwm 控制信号九轴姿态传感器(MPU6050+HMC5883L)气压计(BMP085)
WiFi 无线通讯模块
图2-3硬件系统总体框图
Figure 2-3 The overall block diagram of hardware system
系统主要由DSP 、传感器、电源模块和电机等组成。系统的工作方式主要是，
对传感器进行快速数据采集，将采集得到的数据输入到DSP 中，通过对数据融合
滤波等处理后进行PID 算法实时控制飞行器姿态，同时和上位机保持数据通信，
是的上位机能搞实时采集飞行器的数据以及对飞行器进行姿态控制。
工作过程：
上机之后等待上位机命令，当得到起飞命令后，转动机翼开始起飞。飞行过
程中，实时采集姿态数据，DSP 对姿态数据进行处理，最后通过PID 算法对飞行
器飞行姿态进行控制使得平稳飞行。电源选择DC12V 电池供电，在经过电压转换
得到5v 和3.3v 输出。
2.5.1电机控制电路
本研究采用直接利用商品电调控制无刷电机方案，实现了DSP 输出PWM 脉冲
控制电调，从而对电机达到线性控制目的。控制方式为调整输出PWM 周期为10ms ，
停车为1ms 高电平，最大油门值为2ms 高电平。
2.5.2 MPU6050+ HMC5883九轴数据采集
MPU6050的角速度全格感测范围设定为±250/sec(dps)，可准确追踪快、慢
速动作，该传感器传输可透过最高至400kHz的IC，精确采集四旋翼飞行器3个方向的角速率和线加速度。
在惯性导航算法中，导航参数会随着传感器的测量误差积累而发散，因而不能长时间自主飞行，故选用霍尼韦尔公司的三轴式数字罗盘HMC5883校准惯性导航系统的姿态。采用I2C协议通信，经过转换电路之后可以和DSP的I2C口通信。
2.5.3 WIFI无线通信电路
无线通信模块是四旋翼无人飞行器和地面控制中心通信的桥梁。本研究要求的无线传输距离为100m左右。利用WIFI进行无线通信。通过PC机内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈实现数据传输，同时WIFI信息传送数据速率可以达到600Mbps，配置、使用方便，在100m之内传输稳定可靠。最终可实现上位机对其数据采集和实时操控。
通过DSP与WIFI模块通过UART串口连接，通过串口通信使得数据发送和接受能够快速进行。通讯方式采用的是异步串行通信，支持全双工串行通信，通过编程可以将8位字节数据写入UART中，UART自动将改接的8位二进制数变成串行数据，在不同时刻从TXD引脚输出发送；同时对于不同时刻从引脚RXD输入的串行数据，UART自动变换成字节，可以编程读取后进行处理。
上下位机通信协议如下：
1）下位机发送，上位机接收：
0x88 0xA1 数据……数据校验位2）上位机发送，下位机接收：
0x88 0xA2 数据……数据校验位2.5.4电源电路
电源设计利用3S2200mA电池输出12v电压进行转换得到。因为电池电量不够大，所以设计时候使用开关电源Buck电路实现高转换效率输出得到5v电压，最后利用LM1117-3.3得到3.3v稳定电压给各个传感器供电，保证稳定工作。
同时在为了节省飞行器空间，在电源电路板上实现PWM等转接输出实现DSP 飞控控制和电池电压采集。
Figure 2-4 The power supply circuit
Figure 2-5 The power supply circuit PCB
第三章 四旋翼无人飞行器系统软件设计
3.1四旋翼飞行器系统飞控软件设计
3.1.1四旋翼飞行器运动分析
（a ）垂直运动（d ）偏航运动（b ）俯仰运动（e ）前后运动（c ）滚转运动
（f ）侧向运动
图3-1四旋翼运动姿态控制图
Figure 3-1 Four rotor motion attitude control chart
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。
典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾浆。他们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，这样会导致其动力不
稳定，所以需要一种能够长期确保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种六自由
度的垂直起降机，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。
3.1.2四旋翼飞行器数学建模
()()()...223412341...222212342...222212343sin /sin cos /cos cos /f f f X k k X m Y k k Y m Z k k Z m φθφθφ???=Ω+Ω+Ω+Ω??-? ????????=-Ω+Ω+Ω+Ω???-?? ????
???=Ω+Ω+Ω+Ω???-?? ????
(3-1)
()()()...22424...22315...2222123461/1//f X f Y m Z k k I k k I k k I φφθθψψ???=Ω-Ω?- ????????=Ω-Ω?-? ????
???=Ω-Ω+Ω-Ω?-? ????
(3-2) 四旋翼飞行器仿真器具有极为复杂的动力学特性和特殊的飞行姿态，其动力
学特性随着飞行姿态而发生相应的变化，具有非线性、多变量耦合的特点。本项
目利用牛顿定律，刚体运动的欧拉公式和旋翼本身的空气动力学特性建立了飞行
器的非线性数学模型。
3.1.3自主飞行控制算法的设计
四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机，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4个输入量，同时却有6个输出量，所以它
又是一种欠驱动系统。本项目对系统解耦合成俯仰，横滚和偏航三个轴的动作，
分别对做了三个RBF 神经网络整定的PID 控制，达到了让飞行器稳定飞行的目的。
3.1.4程序流程图 开始
初始化DSP ，配置
各个模块
打开定时器中断读
取九轴姿态数据，
进行数据融合，pid
数据处理运算
等待上位机指令
N 接收上位机命令进
行飞行
Y
结束
电压低于10v ，
降落
Y N
图3-2 程序流程图
Figure 3-2 The program flow chart
3.2基于Labview 上位机软件设计
3.2.1 Labview 介绍
LabVIEW 是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI ）公司研制开发，类似
于C 和BASIC 开发环境，但是LabVIEW 与其他计算机语言的显著区别是：其他计
算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW 使用的是图形化编辑语
言G 编写程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW 软件是NI 设计平台的核心，
也是开发测量或控制系统的理想选择。LabVIEW 开发环境集成了工程师和科学家
快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生
产力和不断创新。
尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。
可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的
摘要 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，所以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。 本设计采用stm32f103zet6作为主控芯片，3轴加速度传感器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，最终使用PID控制算法以PWM方式控制电子调速器驱动电机实现了四轴飞行器的设计。 关键词：四轴飞行器,stm32;mpu6050,2.4G无线模块.PID.PWM
Abstract Quadrocopter has broad application prospect in the area of military and civilian because of its advantages of simple structure. Small size, low failure rate, taking off and landing ertically . etc. it is suitable for having task in narrow space. This design uses STM32f103zet6 as the master chip, and triaxial accelerometer mpu6050 inertial measurement unit, via 2.4G wireless module and remote control panel for communication. Finally using pid control algorithm with pwm drives the electronic speed controller to change moto to realize the design of quadrocopter. Key word : quadrocopter,stm32,mpu6050,2.4G wireless module ;pid; pwm
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)
四旋翼自主飞行器(A题) 摘要 四旋翼飞行器是无人飞行器中一个热门的研究分支，随着惯性导航技术的发展与惯导传感器精度的提高，四旋翼飞行器在近些年得到了快速的发展。 为了满足四旋翼飞行的设计要求，系统以STM32F103VET6作为四旋翼自主飞行器控制的核心，处理器内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高72MHz工作频率，工作电压3.3V-5.5V。该四旋翼由电源模块、电机电调调速控制模块、传感器检测模块、飞行器控制模块等构成。飞行姿态检测模块是通过采用MPU-6050模块，整合3轴陀螺仪、3轴加速度计，检测飞行器实时飞行姿态，实现飞行器运动速度和转向的精准控制。传感器检测模块包括红外障碍传感器、超声波测距模块，在动力学模 型的基础上，将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。 关键词：四旋翼飞行器；STM32；飞行姿态控制；串口PID
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...................................................................... .- 2 - 2 四旋翼自主飞行器控制算法设计...................................................................- 3 -
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
四旋翼飞行器（A 题）参赛队号：20140057号
四旋翼飞行器 设计摘要： 四旋翼作为一种具有结构特殊的旋转翼无人飞行器，与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活的在各个方向进行机动，结构简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。 因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察、灾害现场监视与救援等。多旋翼无人机飞行原理上比较简单，但涉及的科技领域比较广，从机体的优化设计、传感器算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。 四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。它使用直接力矩，实现六自由度（位置与姿态）控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。此外，由于飞行过程中，微型飞行器同时受到多种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，模型准确性和传感器精度也将对控制器性能产生影响，这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。 因此，研究既能精确控制飞行姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。
一、引言： 1.1 题目理解：四旋翼飞行器，顾名思义，其四只旋转的翅膀为飞行的动力来源。四只旋转翼是无刷电机，因此对于无刷电机的控制调速系统对飞行器的飞行性能起着决定性的作用。在本次大赛中，需要利用四旋翼飞行器平台，实现四旋翼的起飞，悬停，姿态控制，以及四旋翼和地面之间的测距等功能。 1.2 设计思路：为了满足飞行器的设计要求，要使用以微控制器为核心的控制系统，使本系统以MC9S12XS128模拟出控制信号，用STM32 MMC10接收模拟信号，然后翻译出模拟信号，利用加速度与陀螺仪传感器采集飞行器的飞行数据，加以闭环调控和精准的控制算法。进行上升、下降以及悬停等动作。 1.3 特点：本飞行器脱离遥控器控制，用微处理器实现整个飞行过程全自动控制，控制精度高。 二、方案设计： 系统主要由STM32模块，微处理器MC9S12XS128模块，电源模块，电机模块，超声波模块，加速度陀螺仪模块等构成。 系统总体框图如下图（图2.0）： STM32 MMC10 四路 PWM 通道 电调 无刷电机 高度显示数码管 信号接收 MC9S12XS128 GPIO 模块 时钟 模块 超声波传 感器 电源 图2.0 其中微处理器MC9S12XS128模块的外围电路见附录一2.1 控制系统选择方案：
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
基于WIFI的智能多功能微型四旋翼飞行器设计 摘要：本文基于WIFI无线传输技术，通过建立四旋翼飞行器的空气动力数学模型，结合实际需求分析，通过单片机总控，各功能模块有机整合，优化软硬件设计，完成最终制作调试，实现飞行器的自由巡航、悬停、降落和视频探测等功能，达到了预期设计目标。 关键词：WIFI;四旋翼;飞行器 1.引言 四旋翼飞行器是一种可以实现垂直起降的旋翼式无人飞行器，具有操控简单，体积小，机动性强，启动快，方便拍摄等优点，能及时地将诸如地震、矿难等特殊现场第一手资料传送回控制中心，帮助我们了解现场状况并作出正确判断[1]。 国外对旋翼式飞行器的研究较多且较深入，我国在该领域的研究起步较晚，成果相对较弱，并且侧重点有所不同，有的侧重数学建模，有的侧重自动控制与研发等等[2]。 本文于是针对自然灾害等特殊现场设计了一种基于WIFI的智能多功能四旋翼飞行器，采用独立控制的四旋翼，升力更大，同时可狭小空间内起降，还具有机械结构简单、机动灵活、操控性高及成本低等优势。 2.建立动力学模型 2.1 坐标变换 四旋翼飞行器的四个旋翼都高速旋转，其所受的空气动力比较复杂，要建立非常准确的空气动力学模型比较困难，为了简化四旋翼飞行器的数学模型，可忽略其弹性形变[3]。为了相对准确的描述飞行器运动状态，建立三维数学坐标系，也叫机体坐标系。OX轴指向地平面方向，由右手定则确定OY轴和OZ轴的方向。用原点O表示飞行器的重心，则OX轴指向飞行器的前方，OY轴指向飞行器的右方，OZ轴指向飞行器的上方。地面三维坐标系与机体坐标系之间存在三个欧拉角：偏航角ψ（沿Z轴方向）、滚动角φ（沿X轴方向）和俯仰角q（沿Y轴方向）。两个坐标系之间的关系如下： ，，（1） 可进一步的转换矩阵得： （2） 经计算可得如下坐标转换公式：
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 -
实验报告 课程名称：《机械原理课内实验》 学生姓名：徐学腾 学生学号：1416010122 所在学院：海洋信息工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 报导教师：宫文峰 2016年6 月26 日
实验一四旋翼飞行器实验 一、实验目的 1.通过对四旋翼无人机结构的分析，了解四旋翼无人机的基本结构、工作的原理和传动控制系统； 2. 练习采用手机控制终端来控制无人机飞行，并了解无人机飞行大赛的相关内容，及程序开发变为智能飞行无人机。 二、实验设备和工具 1. Parrot公司AR.Drone 2.0四旋翼飞行器一架； 2. 苹果手机一部； 3. 蓝牙数据传输设备一套。 4. 自备铅笔、橡皮、草稿纸。 三、实验内容 1、了解四旋翼无人机的基本结构； 2、了解四旋翼无人机的传动控制路线； 3、掌握四旋翼无人机的飞行控制的基本操作； 4、了解四旋翼无人机翻转动作的机理； 5、能根据指令控制无人机完成特定操作。 四、实验步骤 1、学生自行用IPHONE手机下载并安装AR.FreeFlight四旋翼飞行器控制软件。 2、检查飞行器结构是否完好无损； 3、安装电沲并装好安全罩； 4、连接WIFI，打开手机AR.FreeFlight软件，进入控制界面； 5、软件启动，设备连通，即可飞行。 6、启动和停止由TAKE OFF 控制。 五、注意事项 1.飞行器在同一时间只能由一部手机终端进行控制； 2. 飞行之前，要检查螺旋浆处是否有障碍物干涉； 3. 飞行之后禁止用手去接飞行器，以免螺旋浆损伤手部； 4. 电量不足时，不可强制启动飞行； 5. 翻转特技飞行时，要注意飞行器距地面高度大于4米以上； 6. 飞行器不得触水； 7. 飞行器最大续航时间10分钟。
四旋翼飞行器的结构形式和工作原理 1.结构形式 直升机在巧妙使用总距控制和周期变距控制之前，四旋翼结构被认为是一种最简单和最直观的稳定控制形式。但由于这种形式必须同时协调控制四个旋翼的状态参数，这对驾驶员认为操纵来说是一件非常困难的事，所以该方案始终没有真正在大型直升机设计中被采用。这里四旋翼飞行器重新考虑采用这种结构形式，主要是因为总距控制和周期变距控制虽然设计精巧，控制灵活，但其复杂的机械结构却使它无法再小型四旋翼飞行器设计中应用。另外，四旋翼飞行器的旋翼效率相对很低，从单个旋翼上增加拉力的空间是非常有限的，所以采用多旋翼结构形式无疑是一种提高四旋翼飞行器负载能力的最有效手段之一。至于四旋翼结构存在控制量较多的问题，则有望通过设计自动飞行控制系统来解决。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1.1四旋翼飞行器的结构形式 2.工作原理 典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾桨。他们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。
2013年全国大学生电子设计竞赛课题:四旋翼自主飞行器（B 题） 【本科组】 2013年9月7日
摘要 为了满足四旋翼飞行器的设计要求，设计了以微控制器为核心的控制系统和算法。首先进行了各单元电路方案的比较论证，确定了硬件设计方案。四旋翼飞行器采用了固连在刚性十字架交叉结构上的4个电机驱动的一种飞行器，以78K0R CPU內核为基础,围绕新的RL78 CPU內核演化而来的RL78/G13作为控制核心，工作频率高达32MHz，工作电压1.6V-5.5V，适合各种类型的消费类电子和工业应用, 满足8/16位微控制器的需求，有助于降低系统功耗，削减总系统的构建成本。采用9926B MOS管芯片的驱动直流电机，该驱动芯片具有内阻小、负载电流大、且控制简单的特性。通过采用MPU-6050整合的3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，实现了四旋翼飞行器运动速度和转向的精准控制。通过HC-SR04超声波测距模块实现了对四旋翼飞行器飞行高度的准确控制。通过激光传感器，实现了四旋翼飞行器沿黑线前进，在规定区域起降，投放铁片等功能，所采用的设计方案先进有效，完全达到了设计要求。 关键词：四旋翼自主飞行器，E18-D50NK光电传感器，寻线，超声波，单片机。
四旋翼自主飞行器（B 题） 【本科组】 1系统方案 本系统主要由电源模块、电机驱动模块、光电循迹模块模块、超声波测高模块、姿态传感器模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1.1 电源模块的论证与选择 方案一：采用线性元器件LM7805三端稳压器构成稳压电路，为单片机等其他模块供电，输出纹波小，效率低，容易发热。 方案二：采用元器件2596为开关稳压芯片，效率高，输出的纹波大，不容易发热。 方案三：采用线性元器件2940构成稳压电路，为单片机等其他模块供电，输出纹波小，效率高，不容易发热，综合性能高。 综合以上三种方案，选择方案三。 1.2 电机驱动模块的论证与选择 方案一：采用三极管驱动，由于输出电流很大，容易发热， 方案二：采用L298N电机驱动模块，通过电流大，容易发热，使得电机转速变慢，载重量变小。 方案三：采用场效应管9926B芯片组成的电机驱动模块，驱动能力好。能承受的最大电流为7.5A，符合要求。 综合以上三种方案，选择方案三。 1.3 光电循迹模块的论证与选择 方案一：采用CCD摄像头采集图片经过算法处理循迹，前瞻性比较好、循迹效果好，但是处理程序复杂、成本高。 方案二：采用红外对管，有效距离太短，不能满足实际循迹要求。 方案三：采用E18-D50NK光电传感器，这是一种集发射与接收于一体的光电传感器, 检测距离可以根据要求进行调节。探测距离远、受可见光干扰小、前瞻性较好、抗干扰性较好。
四旋翼飞行器的设计 四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置.通过调节电机转 速来控制飞行的欠驱动系统;为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞行 控制,对飞行控制系统进行了初步设计,并且以C8051F020单片机为计算控制单元,给出了飞行控制系统的硬件设计,研究了设计中的关键技术;由于采用贴片封装和低功耗的元器件,使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点;经过多次室内试验,该硬件设计性能可靠,能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求. 一．微小型四旋翼飞行器的发展前景 根据微小型四旋翼飞行器发展现状和相关高新技术发展趋势， 预计它将有以下发展前景。 1 )随着相关研究进一步深入，预计在不久的将来小型四旋翼飞行 器技术会逐步走向成熟与实用。任务规划、飞行控制、无 G P S 导航、视觉和通信等子系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。它未来的主要技术指标：任务半径 5 k m，飞行高度 1 0 0 m，续航时间 1 h ，有效载荷约 5 0 0 g ，完全能够填补目前国际上在该范围内侦察手段的空白。 2 )未来的微型四旋翼飞行器将完全能够达到美国国防预研局对 M A V基本技术指标的要求。随着低雷诺数空气动力学研究的深入，以及纳米和 M E MS 技术的发展，四旋翼 M A V必然取得理论和工程上的突破。它将是一种有 4个旋翼的可飞行传感器芯片，是一
任务与通信等子与能源、动力导航与控制、 ( 个集成多个子系统系统) 的高度复杂ME M S系统；不但能够在空中悬停和向任意方向机动飞行，还 能飞临、绕过甚至是穿过目标物体。此外，它还将拥有良好的隐身功能和信息传输能力。 3 )微小型四旋翼飞行器的编队飞行与作战应 在未来的战争中，微小型四旋翼飞行器的任务之一将是对敌方进行电子干扰并攻击其核心目标。单个微小型飞行器的有效载荷量毕竟有限，难以有效地完成任务，而编队飞行与作战不仅可以极大地提高有效载荷量，还能够增强其突防能力。 二．四旋翼飞行器的国内外研究现状 目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器，一般可分为3类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。 (1)遥控航模四旋翼飞行器 遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国Dfaganflyer公司研制的Dragan．flyer III和香港银辉(silverlit)玩具制品有限公司研制的X．UFO。Draganflyer III是一款世界著名的遥控航模四旋翼飞行器，主要用于航拍。机体最大长度(翼尖到翼尖)76．2cm，高18cm，重481．19：旋翼直径28cm，重69；有效载荷113．29；可持续飞行16--20min。Draganflyer III采用了碳纤维和高性能塑料作为机体材料，其机载电子设备可以控1书1]4个电机的转速。另外，还使用
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
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 .....................................................................................
学校名称： 队长姓名： 队员姓名： 指导教师姓名：2013年9月6日
摘要 本次比赛我们需要很好地控制飞行器，让它自主完成比赛应该完成的任务。 本文的工作主要针对微型四旋翼无人飞行器控制系统的设计与实现问题展开。首先制作微型四旋翼无人飞行器实验平台，其次设计姿态检测算法，然后建立数学模型并设计姿态控制器和位置控制器，最后通过实验对本文设计的姿态控制器进行验证。设计机型设计全部由小组成员设计并制作，部分元件从网上购得，运用RL78/G13作为主控芯片，自行设计算法对飞行器进行，升降，俯仰，横滚，偏航等姿态控制。并可以自行起飞实现无人控制的自主四轴飞行器。 关键字：四旋翼无人飞行器、姿态控制、位置控制
目录 第1章设计任务.................................................................................... 错误！未定义书签。 1.1 研究背景与目的........................................................................ 错误！未定义书签。 1.2 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.3...................................................................................................... 错误！未定义书签。第2章方案论证.................................................................................... 错误！未定义书签。 2.1...................................................................................................... 错误！未定义书签。 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 2.2 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。第3章理论分析与计算........................................................................ 错误！未定义书签。 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。第4章测试结果与误差分析................................................................ 错误！未定义书签。 4.1...................................................................................................... 错误！未定义书签。 4.2...................................................................................................... 错误！未定义书签。 4.3...................................................................................................... 错误！未定义书签。 4.4 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。第5章结论心得体会............................................................................ 错误！未定义书签。 5.1 .................................................................................................................. 错误！未定义书签。.................................................................................................................. 错误！未定义书签。 2设计任务： 基本要求 （1）四旋翼自主飞行器（下简称飞行器摆放在图1所示的A区，一键式