中国计量学院
本科毕业设计(论文)
基于GPS的四轴飞行器的导航系统
设计
The Design Of four Shaft Aircraft Navigation System Based On GPS
学生姓名江克楠学号
学生专业机械电子工程
班级 07机电1班
二级学院机电工程学院指导教师李运
堂
中国计量学院
2011年6月
郑重声明
本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。
学生签名：日期： 2011年5月29日
分类号：TP242.6 密级：公开
UDC：621 学校代码：10356
中国计量学院
本科毕业设计(论文)
基于GPS的四轴飞行器的导航系
统
设计
The Design Of Four Shaft Aircraft Navigation System Based On GPS 作者江克楠学号
申请学位工学学士指导教师李运堂
学科专业机械电子工程培养单位中国计
量学院
答辩委员会主席评阅人
2011 年6月
致谢
随着这篇本科毕业论文的最后落笔，我四年的大学生活也即将划上一个圆满的句号。回忆这四年生活的点点滴滴，从入学时对大学生活的无限憧憬到课堂上对各位老师学术学识的深沉沉湎，从奔波于教室图书馆的来去匆匆到业余生活的五彩缤纷，一切中的一切都是历历在目，让人倍感留恋，倍感珍惜。
在此论文撰写过程中，要特别感谢我的导师李运堂老师。为人随和热情，治学严谨细心的他，从选题、定题开始，一直到最后论文的反复修改，都始终认真负责地给予我耐心的指导，帮助我开拓研究思路，点拨与鼓励。
正是李老师的无私帮助，我的毕业论文才能够得以顺利完成，谢谢李老师。
最后我还要感谢机电工程学院和我的母校—中国计量学院四年来对我的大力栽培。
基于GPS的四轴飞行器导航系统设计
摘要：四轴飞行器执行任务就必须人工进行遥控或进行自主巡航。人工遥控只能完成视野内的任务，若要在人类难以到达的地方执行任务，如灾区、极地等，就必须使用自主巡航。用于民用的自主巡航飞行器可执行水灾、火灾、地震等灾情调查救援任务；化工厂等场所有毒气体浓度监测；重要设施连续监控；输油管线和输电线路的巡查；区域性空－地、空－海通讯中继；农田、林区农药喷洒；当对特定地区进行日常环境监测，也可以使用这种飞行器，自动巡查完后自动返航并自动记录存储数据，大大减少人力成本。
本文提出了一种基于GPS的简易四轴飞行器导航系统的设计与实现。该系统能接收并分析出需要的GPS定位信息，与存储的定位坐标进行简易地自主导航，并在显示屏上模拟和显示。同时也可测量飞行距离以及获得准确的卫星时间。
详细介绍了GPS系统的组成、定位误差、数据接收和参数提取的方法，并同时研究了点阵液晶显示屏字库的建立与字符的显示，以及I2C总线串口传输技术的实际运用。
关键词：GPS；四轴飞行器；自主导航
中图分类号：TP242.6
The design of four shaft aircraft navigation system based on
GPS
Abstract：To perform tasks,four shaft aircraft must be remote artificially for control or cruise independently.Artificially remote control can only complete the task within sight,If want to perform tasks in the place that inaccessible,Such as disaster area,polar,etc,you must use independent cruise.For civilian use independent cruise vehicle executable to the disaster investigation rescue mission such as flood, fire or earthquake; poisonous gases concentration monitoring in chemical factories; Important facilities continuous monitoring; Oil pipelines and transmission line search;Regional air-to-ground, air-to-marine communication relay;The farmland and forest pesticide sprays;if we need get to specific areas for daily environment monitoring,Also can use this aircraft.Automatic return after be automatic search and automatic record store data,greatly reduce the manpower cost.
This paper puts forward a method of simple four shaft vehicle navigation system design and implementation which based on GPS.The system can receive and analyze GPS positioning information that we
need,and storage positioning coordinate easily,and autonomous navigation, simulate and then display on the screen.It also can measurable flight distance and get accurate satellite time.
Introduces the composition,positioning error,data receiving of GPS system,and method of parameter extraction,and the establishment of the
LCD screen fonts,and the application of characters I2C bus practical the
serial transmission technology..
Keywords：GPS; Four shaft vehicle; Autonomous navigation
Classification: TP242.6
目录
摘要................................................................................................................................ I 目录............................................................................................................................. III 1绪论.. (1)
1.1研究背景 (1)
1.2国内外四轴飞行器自主导航系统发展现状 (1)
1.2.1国内外飞行器的发展和应用 (1)
1.2.2全球定位系统GPS发展概述 (3)
1.3系统简介 (4)
1.3.1系统功能简介 (4)
1.3.2系统设计简介 (4)
2硬件设计 (5)
2.1硬件总体设计 (5)
2.2处理器的选择 (5)
2.2.1 89C51系列单片机简介 (5)
2.2.2单片机管脚说明： (8)
2.3 GPS模块 (10)
2.3.1 GPS硬件介绍 (10)
2.3.2 GPS卫星信号 (11)
2.3.3 GPS定位误差 (11)
2.4 LCD显示模块介绍 (12)
2.5键盘模块 (13)
2.6串口模块 (14)
3软件设计 (15)
3.1 GPS模块程序设计 (15)
3.1.1 GPS数据格式(NMEA-0183) (15)
3.2 LCD模块 (18)
3.2.1汉字字模的建立 (20)
3.2.2ASCII字库的建立 (22)
3.3键盘模块 (23)
3.4导航软件设计 (24)
4数据传输 (25)
4.1 I2C总线在LCD上的应用 (26)
4.1.1 I2C总线简介 (26)
4.1.2 I2C总线特征 (26)
4.1.3 I2C总线相关术语 (26)
4.1.4 I2C总线位传输 (27)
4.1.5 I2C总线数据传输 (28)
4.1.6在LCD中的实际应用 (28)
4.2 GPS的串行IO口传输 (29)
4.2.1串行IO口简介 (29)
4.2.2串行IO口工作方式 (29)
5实物调试 (32)
5.1软硬件测试 (32)
5.2实物照片 (32)
6总结与展望 (34)
6.1总结 (34)
6.2展望 (34)
参考资料 (34)
附录A 部分单片机程序及注释 (36)
附录B 系统设计过程中的调试工具 (55)
毕业论文数据集 (56)
1绪论
1.1研究背景
四轴飞行器要完成各种任务就需要人工无线电遥控导航或者自主导航。人工遥控导航飞行只能在视野范围内进行，如果四轴飞行器要执行视野范围外的任务，就必须自主导航。
常规飞行器一般用惯性导航设备或多普勒测地速设备，但由于庞大的体积、昂贵的价格等因素，难以应用于轻巧而廉价的四轴飞行器。而现今的全球定位系统GPS，拥有全天候、全球性、连续的精密三维导航与定位能力，并且重量和体积也非常适合无人四轴飞行器，同时价格也相当便宜，一块成品的GPS模块一般也就100人民币左右，因而GPS在航空导航、航海导航以及地面导航等方面应用非常广。
装载了GPS自主巡航系统后的飞行器大大拓展了其在民用与军用上的泛用性。
用于民用型的自主巡航飞行器可执行灾情调查救援任务如水灾、火灾、地震等；喷洒农田、林区农药；监测化工厂等危险场所的危险气体的浓度；巡查输油管线、输电线路；连续监控重要的设施；区域性空－地、空－海通讯中继；当对特定地区进行日常环境监测的时候，用这种飞行器来执行也很方便和高效，自主巡查完后可以自动返回目的地并自动记录下存储的数据，大大减少了人力成本。据报道自2010年9月起，为了提高输电线路的巡检水平，江西省电力公司采用了无人机航巡输电线路，对输电线路本体缺陷、通道隐患进行快速探测，在各种地形复杂、气候恶劣的不
利条件下，在第一时间里准确、及时、高效地取得现场资料。
本文讨论了一种简单的基于GPS的无人飞行器自主导航系统的实现。
1.2国内外四轴飞行器自主导航系统发展现状
1.2.1国内外飞行器的发展和应用
2009年5月21日，一台叫做“旋翼飞行机器人”的空中多功能自主飞行机器人在中国中科院沈阳自动化研究所研制成功，并在灾害搜救的实际测试中取得很好的效果，并已经小批量地投入生产。据相关人员介绍，较大的四轴飞行器最长可在4小时中持续执行任务，并且速度可以达到每小时100公里，起飞时的自身重量为120公斤，并负担有效载荷40公斤；而较小一点的飞行器拥有最长2小时的续航时间，最大巡航速度可达每小时70公里，起飞是的自身重量仅仅40公斤，同时负担14公斤的有效载荷。
在灾害搜救实际测试中，无人四轴飞行器很好地完成了从自主起飞，然后根据预设的航迹点进行自主巡航飞行，悬停在空中或超低空来获取需要的数据或拍摄照片或视频，最后进行自主降落等一系列科目，非常完美地执行了测试内容。
该四轴飞行机器人由机器人学国家重点实验室历经近4年的时间自主研发成功，技术水平已经达到国际同期先进水平。中国中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室是在2007年成立的，此前作为中国科学院机器人学的重点实验室。目前，实验室已经取得了防爆排险机器人、工业制造机器人、蛇形仿生机器人、深水机器人、网络机器人等多项重要研究成果。
在德国，已研发了一种叫做Microdrones GmbH MD4-200垂直起降的微型无人飞行器。(如图1-1)
图1-1德国MD4-200飞行器
机体采用碳塑材料，因而它兼具轻巧和高强度的特点，同时该材料也使MD4-200可以抗电磁干扰。其AAHRS(高度、姿态和航向参考系统)使用了如下几种传感器：加速计、陀螺仪、磁力计、气压计、湿度计、温度计。通过使用4个同步无刷直驱电马达，飞行器的噪音非常小(当转速小于2000转分钟，在3米处噪音小于63分贝)。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。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。目前MD4-200可以完成一次充电不低于20分钟的飞行时间。2006年4月在德国上市以来，短短的16个月里，在欧洲已经销售了超过250套MD4-200四旋翼飞行器系统，它们被用于许多不同领域：航空摄影、空中考古、空中监视、植被调查、消防救灾、边境控制、警察、特种部队和军队等等。
1.2.2全球定位系统GPS发展概述
简称GPS的全球定位系统(global positioning system)是随着现代化科学技术的发展而建立起来的新一代精密卫星定位系统。GPS系统主要由三大部分组成，即用户设备部分以及空间星座部分和地面监控部分组成。
1958年12月，美国为了给在北极的核潜艇提供精确的导航定位，美国海军联合詹姆斯·普金斯(johns satellite system)系统。同时也被称为“子午卫星系统”，因为NNSS中的卫星轨道穿过了地极。
1959年9月，一颗实验性卫星在美国发射，5年的研究与测试后，即1964年，建成了NNSS系统。而在1967年，美国政府解锁并开放了该系统，允许民间使用。为了给民间组织和军事部门提供实时的三维定位导航，在1973年，美国国防部就开始着手研究和建立新一代卫星导航系统，也就是目前应用非常广泛的“授时与测距导航系统或称全球定位系统”(navigation system timing and rangingglobal positioning system——NA VSTARGPS)，通常简称为全球定位系统(GPS)。
由于该系统卫星数目不多，工作卫星只有6颗，同时只有平均约为1000km的运行高度，而从地面站观测到卫星的时间的间隔也非常长，平均约1.5个小时。虽然GPS系统对导航定位技术的发展是具有非常重大的意义，却不能满足军事上高精度高稳定性的苛刻要求。而且从大地测量学来看，由于它的定位速度慢，测站平均观测2天，精度较低，只有3-5米的单点定位精度和约为1米相对定位精度，所以，该系统很难运作在大地测量学和地球动力学研究方面。
然而在耗掉200多亿美元与20多年的时间后，终于在1994年全面建设完成了GPS系统。
GPS的建成历经了三个阶段：
第一阶段：完成方案的论证和初步设计。1973年到1979年间，美国政府一共发射了4颗试验型卫星。研发了地面接收机，同时建成地面的卫星接收网络系统，在硬件和软件上进行了全方面的试验。
第二阶段：全方面研制以及试验。1979年到1984年间，美国政府又陆续将7颗试验型的卫星送人轨道，同时也研发了各种用途的卫星信号地面接收机。在实际测试中，GPS的定位精度甚至远超乎设计者的预想。
第三阶段：实用组网。1989年2月4日，第一颗GPS工作卫星被送人轨道，GPS系统的建成进入最后的阶段。1993年底，24星座GPS系统终于全面建成。
1.3系统简介
1.3.1系统功能简介
在机载单片机上输入一系列GPS坐标点，自动生成相应航线，同时从机载GPS系统中读取定位数据，并与存储的定位坐标做实时比对，实时修正航线，并将定位坐标显示在液晶显示屏上，处理并显示当前位置。
1.3.2系统设计简介
图1-4系统设计框图
系统采用STC89C52RC单片机作为控制器，进行收集经纬度定位坐标和卫星时间，并通过与记录的目的地坐标点进行比较而进行简单的导航。显示界面采用11264点阵液晶显示屏显示GPS芯片接收到的定位数据、时间数据以及单片机发出的导航数据，它是112行64列点阵型液晶显示模块。GPS模块型号为HOLUX M-89，使用联发科技公司(MTK)所设计的低耗电量芯片MT3318。该模块的优势是对漂移的处理，功耗在30毫安，通讯方式是RS232(波特率4800)，具有并行12通道，可同步跟踪12颗卫星。与PC机的通信，采用的是串行异步通信方式，从单片机TXD和RXD端的TTL电平到PC机的标准RS232电平的转换，系统采用美信公司的MAX232芯片。设置两个按键，用以切换不同界面以及设置目的地坐标。
2硬件设计
2.1硬件总体设计
硬件总体设计框架如图2-1所示，主要由以下模块组成：(1)89C52RC 单片机，(2)GPS模块(3)11264点阵液晶LCD模块(4)电平转换模块。
图2-1硬件原理图
2.2处理器的选择
2.2.1 89C51系列单片机简介
嵌入式处理器是嵌入式硬件系统中最核心，也是最关键的部分，应根据系统应用的要求、体积、成本等因素选择合适的处理器。
89C51系列单片机带有非易失性的Flash程序存储器，支持12时钟和6时钟操作，并由先进CMOS工艺制造。
P89C51X2具有128字节的数据存储器，P89C52X258X2具有256字节数据存储器，都具有片内振荡器和时钟电路，以及32条IO口，可用于多机通信、IO扩展或全双工UART，
此外，由于器件采用了静态设计的方案，时钟停止但用户数据不会丢失，也可从时钟停止处恢复。同时频率可降至0，具有极宽的操作频率范围。该系列单片机拥有由软件选择的三个模式，分别为空闲模式，节电模式以及掉电模式。在选择空闲模式时会将CPU冻结，但是数据存储器、定时器以及中断系统和串口却仍然在工作。掉电模式则会保存数据存储器的内容，但是会将振荡器冻结，这会导致所有的其它片内功能将停止工作。
(1)存储器寻址范围
64字节数据存储器以及64K字节程序存储器
(2)电源控制模式
空闲模式
掉电模式
时钟可停止和恢复
(3)两个工作频率范围
12时钟模式时为0~33MZH
6时钟模式时为0~20MHZ
(4)12时钟操作，也可通过软件或并行编程器选择6时钟时钟操作
(5)89C51核心处理单元
全静态操作
布尔处理器
89C51X2：具有4k字节的Flash
89C52X2：具有8k字节的Flash
89C54X2：具有16k字节的Flash
89C58X2：具有32k字节的Flash
89C51X2：具有128k字节的RAM
89C52X254X258X2：具有256k字节的RAM
(6)异步端口复位
(7)3个加密位
(8)4个8位IO口
(9)LQFP，PLCC，以及DIP封装
(10)16位定时计数器T1和T0(80C51标准)，T2(比较和捕获)是增加的
(11)温度范围扩展
(12)增强型收发全双工UART
识别自动地址
检测帧数的错误
(13)低RMI(禁止ALE以及6时钟模式)
(14)双数据指针
(15)可通过外部中断来唤醒掉电模式
(16)中断优先级4个
(17)中断源6个
(18)可编程时钟输出
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
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
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)
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
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 -
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 -
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。
基于多旋翼无人机平台的便携式空中训练模拟器设计 周一辉１,姚一伟１,周一强２ (１．中国电子科技集团公司第五十一研究所,上海２０１８０２;２．解放军３２０９０部队,河北秦皇岛０６６１００)摘要:舰载电子战装备存在因辐射源架设原因引起的反射二散射问题导致模拟作战训练困难的情况,难以对使用人员的技术水平和操作能力进行快速提升.设计了一款挂载在多旋翼无人机平台上的小型化训练模拟器,可在空中任意位置或任意轨迹遥控发射射频信号模拟训练目标,解决了模拟训练困难的问题.通过样机测试数据及相关试验效果验证了本设计的可行性,可有效提高使用人员的技术水平二操作能力. 关键词:电子战装备;训练模拟器;多旋翼无人机;技术水平 中图分类号:T N ９７一一一一一一一一文献标识码:B 一一一一一一一文章编号:C N ３２Ｇ１４１３(２０１９)０３Ｇ０１０４Ｇ０４ D O I :１０．１６４２６/j ．c n k i ．j c d z d k ．２０１９．０３．０２３D e s i g no fP o r t a b l eA i rT r a i n i n g S i m u l a t o rB a s e do n M u l t i Ｇr o t o rU A VP l a t f o r m Z HO U H u i １,Y A O W e i １,Z HO U Q i a n g ２(１．T h e ５１s tR e s e a r c h I n s t i t u t e o fC E T C ,S h a n g h a i ２０１８０２,C h i n a ;２．U n i t ３２０９０o fP L A ,Q i n h u a n g d a o ０６６１００,C h i n a )A b s t r a c t :T h e p r o b l e m s o f r e f l e c t i o n a n d s c a t t e r i n g c a u s e d b y t h e e x e r t i o n o f r a d i a t i o n s o u r c e s e x i s t i n s h i p Ｇb o r n e e l e c t r o n i cw a r f a r ee q u i p m e n t ,w h i c h m a k e s i td i f f i c u l t t os i m u l a t ec o m b a t t r a i n i n g ,a n d i t i s d i f f i c u l t t o r a p i d l y i m p r o v e t h e t e c h n i c a l l e v e l a n d o p e r a t i o n a b i l i t y o f t h e u s e r s ．T h i s p a p e r d e s i g n s am i n i a t u r i z e d t r a i n i n g s i m u l a t o rm o u n t e do nm u l t i Ｇr o t o r u n m a n n e da e r i a l v e h i c l e (U A V )p l a t f o r m ,w h i c hc a nr e m o t e l y c o n t r o l st h er a d i of r e q u e n c y s i g n a l st r a n s m i s s i o nt os i m u l a t et h e t r a i n i n g t a r g e t s a t a n yp o s i t i o no r t r a j e c t o r y i n t h e s k y ,s oa s t os o l v e s t h ed i f f i c u l t y o f s i m u l a t i o n t r a i n i n g ．T h r o u g h t h e t e s t d a t a o f t h e p r o t o t y p e a n d t h e r e l a t i v e t e s t r e s u l t s ,t h e f e a s i b i l i t y o f t h e d e s i g n i s v e r i f i e d ,a n d t h e t e c h n i c a l l e v e l a n do p e r a t i o n a b i l i t y o f u s e r s c a nb e i m p r o v e d e f f e c t i v e l y ．K e y w o r d s :e l e c t r o n i cw a r f a r ee q u i p m e n t ;t r a i n i n g s i m u l a t o r ;m u l t i Ｇr o t o ru n m a n n e da e r i a l v e h i c l e ;t e c h n i c a l l e v e l 收稿日期:２０１９０５０７０一引一言电子战装备在战争中发挥着越来越重要的作 用,电子信息装备数量日趋庞大,运用复杂,种类繁 多[１],特别是雷达侦察设备的应用最为广泛[ ２].随着电子战装备的高频率使用,如何提高使用人员技 术能力二操作水平,保障电子战装备性能完好,充分 发挥装备的战斗力,是现下亟需解决的问题. 本文根据舰载电子战装备训练存在困难的情 况,提出基于多旋翼无人机平台的便携式空中模拟 训练器设计方案,可适用于舰载电子战装备的日常 训练二试验验证等,达到提升使用人员的技术水平二 充分发挥电子战装备战斗力的作用.１一需求分析１ １一电子战装备训练情况舰载电子战装备进行训练一是依靠装备本身设计进行自检判断设备工作状态是否正常,二是使用射频注入法测试来检验装备的接收机二信号处理系２０１９年６月 舰船电子对抗J u n ．２０１９第４２卷第３期S H I P B O A R DE L E C T R O N I CC O U N T E R M E A S U R E V o l ．４２N o ．３
四旋翼无人机毕业设计 目录 摘要 ............................................................................................. 错误！未定义书签。Abstract ................................................................................................ 错误！未定义书签。1绪论 .. (1) 1.1研究背景及意义 (1) 1.2 国内外四旋翼飞行器的研究现状 (1) 1.2.1国外四旋翼飞行器的研究现状 (1) 1.2.2国内四旋翼飞行器的研究现状 (3) 1.3 本文研究内容和方法 (4) 2 四旋翼飞行器工作原理 (5) 2.1 四旋翼飞行器的飞行原理 (5) 2.2 四旋翼飞行器系统结构 (5) 3 四旋翼飞行器硬件系统设计 (7) 3.1 微惯性组合系统传感器组成 (7) 3.1.1 MEMS陀螺仪传感器 (7) 3.1.2 MEMS加速度计传感器 (7) 3.1.3 三轴数字罗盘传感器 (8) 3.2 姿态测量系统传感器选型 (8) 3.3 电源系统设计 (10) 3.4 其它硬件模块 (10) 3.4.1 无线通信模块 (10) 3.4.2 电机和电机驱动模块 (11) 3.4.3 机架和螺旋桨的选型 (12) 3.4.4 遥控控制模块 (13) 4 四旋翼飞行器姿态参考系统设计 (15) 4.1 姿态参考系统原理 (15) 4.2 传感器信号处理 (16) 4.2.1 加速度传感器信号处理 (16) 4.2.2 陀螺仪信号处理 (16) 4.2.3 电子罗盘信号处理 (17) 4.3 坐标系 (17) 4.4 姿态角定义 (18) 4.5 四元数姿态解算算法 (19) 4.6 校准载体航向角 (27) 5 四旋翼飞行器系统软件设计 (29) 5.1 系统程序设计 (29) 5.1.1 姿态参考系统软件设计 (29) 5.1.2 PID控制算法设计 (30)
四旋翼无人机建模及其PID控制律设计 时间：2012-10-27 来源：现代电子技术作者：吴成富，刘小齐，袁旭 关键字：PID无人机建模 摘要：文中对四旋翼无人机进行建模与控制。在建模时采用机理建模和实验测试相结合的方法，尤其是对电机和螺旋桨进行了详细的建模。首先对所建的模型应用PID进行了姿态角的控制。在此基础上又对各个方向上的速度进行了PlD 控制。然后在四旋翼飞机重心进行偏移的情况下进行PID控制，仿真结果表明PID控制律能有效的控制四旋翼无人机在重心偏移情况下的姿态角和速度。最后为了方便控制加入了控制逻辑。 关键词：四旋翼；建模；PID；控制；重心偏移；控制逻辑 四旋翼无人机是一种具有4个旋翼的飞行器，有X型分布和十字型分布2种。文中采用的是X型分布的四旋翼，四旋翼无人机只能通过改变旋翼的转速来实现各种运动。国外对四旋翼无人直升机的研究非常活跃。加拿大雷克海德大学的Tavebi和McGilvrav证明了使用四旋翼设计可以实现稳定的飞行。澳大利亚卧龙岗大学的McKerrow对Dragantlyer进行了精确的建模。目前国外四旋翼无人直升机的研究工作主要集中在以下3个方面：基于惯导的自主飞行、基于视觉的自主飞行和自主飞行器系统。而国内对四旋翼的研究主要有：西北工业大学、国防科技大学、南京航天航空大学、中国空空导弹研究院第27所、吉林大学、北京科技大学和哈工大等。大多数的研究方式是理论分析和计算机仿真，提出了很多控制算法。例如，针对无人机模型的不确定性和非线性设计的 DI／QFT(动态逆／定量反馈理论)控制器，国防科技大学提出的自抗扰控制器可以对小型四旋翼直升机实现姿态增稳控制，还有一些经典的方法比如PID控制等，但是都不能很好地控制四旋翼速度较大的情况。本文对四旋翼无人机设计了另外一种不同的控制方法即四旋翼的四元数控制律设计，仿真结果表明这种控制方法是一种有效的方法。尤其是对飞机的飞行速度较大的情况，其能稳定地控制四旋翼达到预期的效果。 1 四旋翼的模型 文中所研究的四旋翼结构属于X型分布，即螺旋桨M1和M4与M2和M3关于X轴对称，螺旋桨M1和M2与M3和M4关于Y轴对称，如图1所示。对于四旋翼的模型本文主要根据四旋翼的物理机理进行物理建模，并做以下2条假设。
关于无人机模拟操控技能实训的报告 目录 一、前言 1.实训背景与意义 (2) 2.无人机的发展现状 (2) 3、本次实训的任务安排与技术要求 (4) 二、实训的基本情况 (5) 三、实训总结 (8)
一．前言 本次实训主要是通过实体操控四旋翼无人机的不同姿态运动来提升自己对无人机的运动机制、动力原理以及飞行实操的了解。主要要求是使用提供的四旋翼无人机实现无人机在导航模式下实现原地360°旋转、矩形飞行以及固定翼的模拟航线飞行等，需要控制飞机高度方向，指导老师现场考核评分并记录好实训操控时的图像或音频，以完成实训总结报告。 1．实训背景与意义 无人机，是一种不需要有人驾驶，可以通过远程操控来实现某些特定功能的飞行器，具有可持续续航、飞行高度高、可携带外接设备等一系列优点，目前无人机在多个领域取得应用，并且经过行业的不断完善，已经形成初步的产业链。无人机以其自身的突出的优点、高性价比等巨大优势吸引人们的关注，并且在不断地研究中取得了一定的突破，从无人机整个行业的前景来看，无疑是值得肯定的，并且现有技术不断革新的情况下无人机在未来的发展将会越来越好，无人机作为现代的新星宠儿，对它的研究应用无论是对自身发展还是国家技术改革创新都具有很大作用，在无人机势如春笋的发展背景下，通过实训去了解无人机，熟练的操控无人机将对未来就业以及自身发展具有重大意义。 2.无人机的发展现状 20世纪90年代以来，随着信息化技术、轻量化/小型化任务载荷技术、卫星通信技术、复合材料结构技术、高效空气动力技术、新型能源与高效动力技术、起降技术的迅猛发展，无人机性能不断提升、功能不断扩展，各种类型和功能的无人机不断涌现，应用领域也越来越广泛。无人机按规模可分为微型无人机、小型无人机、中型无人机、大型无人机；按飞行高度可分为低空无人机、中空无人机、高空无人机、临近空间无人机；按飞行速度可分为低速无人机、高速无人机；按机动性可分为低机动无人机、高机动无人机；按能源与动力类型可分为螺旋桨式无人机、喷气式无人机、电动无人机、太阳能无人机、燃料电池无人机；按活动半径可分为近程无人机、短程无人机、中程无人机、远程无人机；按起降方式可分为滑跑起降无人机、火箭助推/伞降回收无人机、空投无人机、炮射无人机、潜射无人机等；按功能用途可分为靶标无人机、诱饵无人机、侦察无人机、炮兵校射无人机、电子对抗无人机、电子侦听无人机、心理战无人机、通信中继无人机、测绘无人机、攻击无人机、察打一体无人机、预警无人机…… 人机系统主要包括飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等。飞控系统又称为飞行管理与控制系统，相当于无人机系统的“心脏”部分，对无人机的稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响，对其飞行性能起决定性的作用；数据链系统可以保证对遥控指令的准确传输，以及无人机接收、发送信息的实时性和可靠性，以保证信息反馈的及时有效性和顺利、准确的完成任务。发射回收系统保证无人机顺利升空以达到安全的高度和速度飞行，并在执行完任务后从天空安全回落到地面。 无人机主要分为多旋翼无人机、固定翼无人机以及组合式无人机三大类。 多旋翼无人机又有四旋翼、六旋翼、八旋翼甚至十旋翼等，最常见的是四旋翼无人机，以下是常见的多旋翼无人机。
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
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
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。