摘要
本文对四桨碟形飞行器进行了初步的研究和设计。首先，对飞行器各旋翼的升力做了测试，分析了升力产生效率与PWM频率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R5F100LE单片机为主控制器，通过四元数算法处理传感器MPU6050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、角度传感器模块、电子调速模块、超声波测距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：R5F100LE单片机、角度传感、PWM频率、PID控制。
目录
1系统方案 (2)
1.1 电子调速模块的选择 (2)
1.2角度传感模块的论证与选择 (2)
1.3 超声波测距的选择 (3)
1.4 电源的论证与选择 (3)
2系统理论分析与计算 (3)
2.1 控制理论的分析 (3)
2.1.1控制方式 (3)
2.1.2 PID算法 (4)
2.1.3 PID计算 (4)
3电路与程序设计 (4)
3.1电路的设计 (4)
3.1.1系统总体框图 (4)
3.1.2 电机驱动电路 (5)
3.1.3 HC-SR04子系统电路 (6)
3.1.4电源 (6)
3.2程序的设计 (6)
3.2.1程序功能描述 (6)
3.2.2主程序流程图 (6)
4测试方案与测试结果 (7)
4.1测试方案 (7)
4.2 测试条件与仪器 (10)
4.3 测试结果及分析 (10)
4.3.1测试结果(数据) (11)
4.3.2测试分析与结论 (11)
附录1：电路原理图 (12)
附录2：源程序 (14)
四旋翼自主飞行器（）
1系统方案
本系统主要由电子调速模块、角度传感模块、超声波测距模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 电子调速模块的选择
由于飞行器需要强大的动力，普通的电机不适合飞行器的开发，无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，更重要的是无刷电机经常被使用在控制要求比较高，转速比较高的设备上，如航模，精密仪器仪表等对电机转速控制严格，转速达到很高的设备上。所以我们采用A2208型号无刷电机，通过电子调速器根据R5F100LE单片机控制PWM的占空比输出的大小来控制电机，使这个电子调速模块能准确实时的控制电机的转速，来控制飞行器的各项指标。
1.2角度传感模块的论证与选择
方案一：
采用角度传感器：这个模块实际上是加速度传感器，内部是测X,Y,Z轴方向上的三个加速度，然后单片机或者arm通过读取三个加速度值，通过反正切artan 运算来算出角度值。因为是间接得到，所以在外部设备有抖动的状态下误差较大，一般还动过一个陀螺仪得出的角速度值，两者通过卡尔曼滤波融合，得到一个相对抗扰动的角度值。
方案二：
采用陀螺仪mpu6050模块: 陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。陀螺仪的作用是测定加速度的矢量，优点是不受磁场影响。
最终方案：
相比较后，我们认为mpu6050模块较适合飞行器姿态的控制，最终选择方案二。
1.3 超声波测距的选择
我们采用HC-SR04模块进行超声波测距，来控制飞行高度。HC-SR04模块能提供2cm--400cm的非接触式距离感测功能，其基本工作原理为采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回，有信号返回通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平持续的时间*声速（340m/s））/2。基于它的工作原理，我们决定用HC-SR04来采集数据来控制飞行器的飞行高度。
1.4 电源的论证与选择
方案一：
采用铅酸电池：铅酸电池（VRLA），是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。
方案二：
采用锂聚合物电池：它也是锂离子电池的一种，但是与液锂电池(Li-ion)相比具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化，以及高安全性和低成本等多种明显优势，是一种新型电池。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合各种产品的需要，制作成任何形状与容量的电池。该类电池可以达到的最小厚度可达0.5mm。
相同容量的铅酸电池比锂聚合物电池便宜很多，但重量比锂聚合物电池重很多！而飞行器的载重能力有限，所以最终选择方案二锂聚合物电池。
2系统理论分析与计算
2.1 控制理论的分析
2.1.1控制方式
本次比赛的难点在于如何使飞行器在空中较好的实现平衡控制，然后使其进行巡线飞行和降落。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践行简单的数学物理建模。通过陀螺仪返回的留个数据进行四元数拟合处理得到空间欧拉角。然后返回给系统进行闭环PID控制。
2.1.2 PID算法
当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型,控制理论
的其他技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确
定,这时应用PID 控制技术最为方便. 即使当我们不完全了解一个系统和被控对
象,或是不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,也适合采用PID 控制技术.
PID 控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算。
2.1.3 PID计算
PID计算方式如图2-1所示。
图2-1 PID计算方式
经过测算和推导，我们得出了PID的计算公式为2-1。
(2-1)
在该飞行器系统中，PID各个参数经过调试得出：
K=1
P=300
I=0
D=125
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图3-1所示。
图3-1系统总体框图
3.1.2 电机驱动电路
图3-2电机驱动系统电路
3.1.3 HC-SR04子系统电路
图3-3 HC-SR04子系统电路
3.1.4电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者
12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现传感检测和PWM输出的更改。
（1）传感检测功能：设置高度和角度的输出信号类型。
（2）PWM输出：根据检测的数据，通过PID算法更改PWM的输出。
3.2.2主程序流程图
图3-4 主程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、硬件测试
测量飞行器距离地面距离使用超声波模块。之前没有使用过瑞萨单片机，所以先用51单片机编程用1602显示超声波所测就离进行调试。然后再将51单片机的程序改到瑞萨单片机里。飞行器的不确定因素很多，最先使用电源箱进行测试比使用电池更容易控制。为防止飞行器飞出伤人，用四根结实的尼龙绳将飞行器的四个底座固定在地面进行基础测试。
2、软件仿真测试
配置仿真器
图4-1 选择仿真器图4-2 配置仿真器
（1）如图4-1所示，CubeSuite+ 适用多种仿真器（IECUBE、E1、E20、EZ Emulator、 Simulator），在 Project Tree Panel 中单击 RL78 Simulator 右键，选择 Using Debug ToolRL78 E1，为本次调试选用仿真器 E1 。
（2）如图4-2所示，在 Project Tree Panel 中双击 RL78 E1（Serial），开启 Property 窗口，设置 E1 输出 5V 驱动电源。
下载目标文件
目标文件就是由用户程序编译成的二进制文件，扩展名是 *.lmf。
CubeSuite+面板上的 Download (快捷键 F6 ) 按钮，或从菜单中选择Debug– > Build & Download ，即可开始下载目标文件。
执行与停止程序
下载目标文件后，自动启动如下窗口。
源程序区执行按钮汇编程序区
图4-3 CubeSuite+ 调试主面板
（1）执行程序：点击主面板工具栏上的执行按钮（快捷键 F5），或从Debug 菜单中选择 Go。
（2）单步执行：点击主面板工具栏上的 Execution Step in 按钮（快捷键 F11），
或从 Debug 菜单中选择 Step in。( Execution Step over 按钮（快捷键F10）也
是单步执行，但执行时，将整个函数作为一步，跳过函数实现代码。)（3）停止执行：在程序执行期间，按停止按钮（快捷键 Shift+F5），或从 Debug 菜单中选择 Stop。
（3）重启：点击重启钮（快捷键 Ctrl+F5），或从 Debug 菜单中选择 CPU Reset，无论程序是否在执行，都可以执行重启操作。
调试功能
变量监控功能
（1）观察变量：
在代码中，选择用户需要观察的变量，单击右键，选择 Register to Watch1，将变量添加到 W atch 1窗口，这样就可以观测到该变量的当前值。随着程序的执行，变量的值也会刷新。
图4-4 启动变量监控图4-5 Watch 窗口（2）修改变量值：
在 Watch 窗口的显示变量值（Value）区域，双击需要改变的变量值，即可修改该变量的值。通过这种操作，就可以在调试中很方便地测试变量的各种数值，而不必重新修改和编译程序。这个监控功能也可以用来观察和修改 SFR 的值。
Action Event 功能
通过简单的设定，Action Event 功能可以方便的显示调试中的变量的变化。（1）开启 Action Event 功能：在代码中，选择用户需要观察的变单击右键，选择 Register Action Event，开启 Action Event 对话框，设定输出名称。
○1输出名称
○K
图4-6 开启 Action Event 功能图4-7 3.8 Action Event 对话框
设定完成后，该变量的行就会显示红色，并且在行号旁边显示 Action Event 标志。程序执行时，在 OutPut Panel 中，根据程序的运行情况，会输出该变量的变化过程。
（2）关闭 Action Event 功能：
程序停止时，在设定变量的行，选中 Action Event 标志，单击右键，选择 Delete Events ，关闭 Action Event 功能。
设置断点如果需要程序在某些地方停止执行，可以设置软件断点，程序运行到该行之前会停止。
可以设置断点的程序行左边有地址显示，在地址行右边空白区域单击，可以加入一个断点，断点处出现一个标识，设定了断点的行显示为红色。
程序执行到断点行将停止。要去掉断点，只需单击断点标识即可。
4.2 测试条件与仪器
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。
4.3 测试结果及分析
4.3.1测试结果(数据)
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据，基本可以达到预期目标，说明我们的硬件和软件的设计基本趋于合理，达到要求。
附录1：电路原理图
附录2：源程序
主程序
extern S_FLOAT_XYZ Q_ANGLE;
extern PID PID_ROL,PID_PITCH,PID_YAW;
uint16_t cnt;
void DelayMs(uint16_t z);
uint8_t read_mpu6050(uint8_t reg,uint8_t *datbuf,uint16_t datl);
uint8_t test_mpu6050(void);
uint8_t init_mpu6050(void);
void MPU6050_GetData(void);
void Data_Analysis(void);
void ACC_Fliter(void);
void IMUupdate(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az);
void Get_Attitude(void);
void Pid_init(void);
int xxx,yyy;
void main(void)
{
R_MAIN_UserInit();
/* Start user code. Do not edit comment generated here */
cnt=50000;
while(cnt--);
cnt=50000;
while(cnt--);
init_mpu6050();
Pid_init();
//R_UART0_Start();
init_NRF24L01();
SetRX_Mode();
R_TAU0_Channel0_Start();
TDR01=0xFA0;
TDR02=0xFA0;
TDR03=0xFA0;
TDR04=0xFA0;
for(xxx=2500;xxx>0;xxx--)
for(yyy=4000;yyy>0;yyy--);
TDR01=0x7D0;
TDR02=0x7D0;
TDR03=0x7D0;
TDR04=0x7D0;
for(xxx=5000;xxx>0;xxx--)
for(yyy=4000;yyy>0;yyy--);
R_TAU0_Channel5_Start();
while (1U)
{
//cnt=1000;
//while(cnt--);
}
四旋翼飞行器结构和原理 1.结构形式 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，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。结构形式如图1.1所示。 .工作原理 四旋翼飞行器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。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。
四旋翼飞行器的电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。
在上图中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。 （1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。 （2）俯仰运动：在图（b）中，电机1的转速上升，电机3 的转速下降（改变量大小应相等），电机2、电机4 的转速保持不变。由于旋翼1 的升力上升，旋翼3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y 轴旋转，同理，当电机1 的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。 （3）滚转运动：与图b 的原理相同，在图c 中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。 （4）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图d中，当电机1和电机3 的转速上升，电机2 和电机4 的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在
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 -
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)
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(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 -
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)
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
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。
《专业技能训练》实验 班级： 100631 学号： 10063112 姓名：林万蔚 （同组人：李力朱汉辉周炎）
专业技能训练 1、实验目的： 通过本综合实验的练习，学生应能综合应用所学专业基础知识，对专业上的某一具体工程实际问题进行处理和解决，增强其实践能力、工程应用能力和整体素质。 2、实验内容： （1）方案设计 设计铆接的产品，CATIA软件或CAD绘制零件图：1张三维立体图（同组人可一样），1张能完全表达某个零件结构尺寸和制作要求的视图（按机械制图的规定画图和标注，同组每个人不得相同，可选择不同零件画图）。图均打印，其他内容手写！。 设计铆接的产品（飞机）具有中等复杂程度，具有立体结构。 零件结构设计经指导老师检查同意后方能进行制作。 （2）飞机装配铆接操作实验 本实验要求在飞机装配工艺课程的相关实验之后进行，通过飞机装配工艺课程的授课学习和实验，掌握飞机装配铆接的基本方法和基本工艺，在此基础上，制作一个中等复杂程度的零件产品，并做相应的工艺分析。 3、对自己制作的结构件进行质量分析。 我们这组设计制作的是一个小型汽车，从设计的角度来看的比较完美的，线条、部件都比较好。但是，在这个单有铆接的实验中，很多圆滑的地方可能很难制造出来。 4、飞机铆接的特点及发展。 4.1飞机铆接具有以下特点 铆接的连接强度比较稳定可靠，铆接方法与工艺参数容易掌握和控制，铆接质量检验方法方便，故障比较容易排除，使用工具比较简单、低廉，适用于较复杂的连接。虽然存在着一些缺点，如增大了结构质量，降低了结构强度，容易引起变形等，但到目前为止，铆接仍然是飞机装配中主要的的连接方法。 4.2飞机铆接的发展 现代飞机制造过程中，由于结构设计、工艺维修、检查的需要，机械连接不可缺少，在很长一段时间内仍将是主要的连接方法。在第二代、第三代、甚至第四代战斗机以及民机生产中，都采用了大量的机械连接。铆接结构重量轻、成本低、工艺简便，比螺接更具技术优势，因而用得比较普遍。铆接技术发展相对比较缓慢，但近年来在新型飞机研制过程中，为满足结构设计要求，提高飞机的性能，铆接技术有了新的发展。 4.2.1电磁铆接技术的发展 国外的经验表明，采用电磁铆接(也称应力波)技术是解决上述问题的有效途径。电磁铆接对屈强比高、应变率敏感、强度高、难成形材料的成形具有特殊的功能；能实现理想的干涉配合，延缓构件铆钉孔疲劳裂纹的扩展，显著提高结构
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。
四旋翼飞行器无刷直流电机调速系统的设计 孟磊，蒋宏，罗俊，钟疏桐 武汉理工大学自动化学院、武汉理工大学信息工程学院 摘要，关键字：略 近年来，无人机的研究和应用广泛受到各个方面的重视。四旋翼飞行器作为无人机的一种，能够垂直起落、空中悬停、可适用于各种飞行速度与飞行剖面，具有灵活度高、安全性好的特点，适用于警务监控、新闻摄影、火场指挥、交通管理、地质灾害调查、管线巡航等领域实现空中时时移动监控。 四旋翼飞行器的动力来源是无刷直流电机，因此针对该型无刷直流电机的调速系统对飞行器的性能起着决定性的作用。为了提高四旋翼飞行器的性能，本文设计制作了飞行试验平台，完成了直流无刷电机无感调速系统的硬件、软件设计。通过实验证明该系统的设计是可行的。 四旋翼飞行器平台结构 四旋翼平台呈十字形交叉，有四个独立电机驱动螺旋桨组成。当飞行器工作时，平台中心对角的螺旋桨转向相同，相邻的螺旋桨转向相反同时增加减少四个螺旋桨的速度，飞行器就垂直上下运动；相反的改变中心对角的螺旋桨速度，可以产生滚动、俯仰等运动。结构图如下： 四旋翼飞行器的控制系统分为两个部分：飞行控制系统和无刷直流电机调速系统。飞行控制系统通过IMU惯性测量单位（由陀螺传感器和加速度传感器组成）检测飞行姿态，通过无线通讯模块与地面遥控器通信。4个无刷直流电机调速系统通过I2C总线与飞行控制器通信，通过改变4个无刷直流电机的转速来改变飞行姿态，系统采用12V电池供电。控制系统结构图如下：
无刷直流电机调速系统 无刷直流电动机既具有运行效率高、调速性能好，同时又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点，是电机主要发展方向之一，现已成功运用与军事、航空、计算机数控机床、机器人、电动自行车等多个领域。在该四旋翼飞行器上使用了新西达2217外转子式无刷直流电机，其结构为12绕组7对磁极，典型KV值为1400. 通常无刷直流电机的控制方式分为有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。有位置传感器控制方式通过再定子上安装电磁式、光电式或者磁敏式位置传感器来检测转子的位置，为驱动电路提供转向信息。无位置传感器的控制方式有很多，包括磁链计算法‘反电动势法、状态观测器法、电感法等。在各种无位置传感器控制方法中，反电动势法是目前技术最为成熟的、应用最为广泛的一种位置检测方法。本系统采用的饭店董事过零检测法是反电动势法中的一种，通过检测各相绕组反电动势的过零点来判断转子的位置。根据无刷直流电机的特性，电机的最佳转向时刻是想反电动势过零点延迟30电角度的时刻，而该延迟的电角度对应的时间可以有两次过零点时间间隔计算得到。 无刷直流电机调速系统硬件设计 该无刷直流电机调速系统有三相全桥驱动电路、反电势过零电路、电流电压检测电路组成电机驱动器。使用一片ATmega8单片机作为控制器，该单片机内部集成了8kB的flash，最多具有23个可编程的I/O口，输出时为推挽结构输出，驱动能力较强。片上集成了AD 转换器、模拟比较器、通用定时器、可编程计数器等资源。 三相全桥驱动电路利用功率型MOS管作为开关器件，选用P型MOS管FD6637与N型MOS管FD6635搭配使用，设计容量为允许通过的最大电流为30A。FD6637的开关利用三极管9013进行驱动、FD6635的开关直接用单片机的I/O口进行驱动。电路如图3所示。通过R17、R19、R25来减少下管FDD6635的栅极充电电流峰值，防止震荡并保护MOS管；R16、R23、R24作为下拉电阻，保证下关的正常导通与关断；R2、R5、R8作为上管栅极上拉电阻，阻值选择470Ω，既保证了MOS管的开关速率不降低，同时也防止三极管Ic电流过大。A+、B+、C+提供驱动桥的上桥臂的栅极导通信号，分别通过ATmega8的三个硬件PWM通道驱动，通过改变PWM信号的占空比来实现电机调速；A-、B-、C-提供下桥臂栅极驱动信号，由单片机的I/O口控制，只有导通和关闭两种状态。
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