四轴飞行器毕业设计论文

四轴飞行器定速巡航系统设计[摘要] 四轴飞行器作为低空低成本的遥感平台，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，重点讲软件算法，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、梯度下降法或互补滤波法，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。

最后比较各种方法的效果，并附上C语言的算法实现代码。

[关键词] 四轴飞行器；姿态；控制Four aircraft cruise control system design[Abstract] Quadcopter is a low-cost low altitude remote sensing platforms,Which widely used in various pared to other types of aircraft,the quadcopter has simpler hardware,result in more complex software.This paper describes an implementation of the quadcopter,including the calibration of accelerometer,estimation of attitude,and controlof attitude.It used the Least Squares Method to calibration the accelerometer.It uses Attitude Interpolation Method,Gradient Descent Method or Complementary Filter Method to estimation attitude.It uses Euler angles or quaternion to control the attitude.Finally,there are comparisons of the methods.The C-language implementation of the methods is appended.[Key words] Quadcopter；Attitude；Control目录1. 引言 (4)2. 飞行器的构成 (4)2.1硬件构成 (4)2.1.1机械构成 (4)2.1.2电气构成 (5)2.2软件构成 (7)2.2.1.上位机 (7)2.2.2. 下位机 (7)3. 飞行器原理 (7)3.1.坐标系统 (7)3.2. 姿态的表示和运算 (8)3.3.动力学原理 (9)4. 姿态测量 (10)4.1.传感器校正 (10)4.1.1.陀螺仪 (10)4.1.2.加速度计和电子罗盘 (10)4.2.数据融合 (11)4.2.1.概述 (11)4.2.2.姿态插值法 (11)4.2.3.梯度下降法 (12)4.2.4.互补滤波法 (13)5.姿态控制 (14)5.1欧拉角控制 (14)5.2.四元数控制 (15)6. 算法效果 (15)6.1加速度计校正 (15)6.2姿态计算 (15)7. 结论及存在的问题 (16)参考文献： (17)1.引言四轴飞行器最开始是由军方研发的一种新式飞行器。

目录第一部分设计任务与调研 (1)1研究背景 (1)2毕业设计的主要任务 (1)第二部分设计说明 (2)1理论分析 (2)2设计方案 (6)2.1 微控制器的选择 (6)2.2 无线模块的选择 (7)2.3 其他模块图片 (9)第三部分设计成果 (10)第四部分结束语 (11)第五部分致谢 (12)第六部分参考文献 (13)第一部分设计任务与调研1研究背景四轴飞行器具备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。

2毕业设计的主要任务本设计基于Arduino平台的四轴飞行器，包括Arduino最小系统、传感器模块、供电模块、电机驱动模块、蓝牙通讯模块等部分组成。

通过Arduino最小系统采集各传感器模块的数据并进行分析，将处理结果送入电机驱动模块进行姿态调整，实现四轴平稳飞行，系统框图如下：图1 系统框图第二部分设计说明1理论分析设计一个基于Arduino开源硬件平台的最小系统板，采集传感器的数据，传递给主芯片，芯片通过具体算法得出数据调整翼动部分实现水平。

下面将分析一种常见的四轴飞行器姿态解算方法，Mahony的互补滤波法。

此法简单有效，先定义Kp，Ki，以及halfT 。

Kp，Ki，控制加速度计修正陀螺仪积分姿态的速度halfT ，姿态解算时间的一半。

此处解算姿态速度为500HZ，因此halfT 为0.001#define Kp 2.0f#define Ki 0.002f#define halfT 0.001f初始化四元数float q0 = 1, q1 = 0, q2 = 0, q3 = 0;定义姿态解算误差的积分float exInt = 0, eyInt = 0, ezInt = 0;以下为姿态解算函数。

密级：NANCHANG UNIVERSITY学士学位论文THESIS OF BACHELOR（2011—2015年）题目：四轴飞行器的GPS导航系统设计学院：信息工程学院系自动化系专业班级：测控技术与仪器学生姓名：程浩学号：5801211090 指导教师：张宇职称：讲师起讫日期：2015年3月15日至2015年5月29日南昌大学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。

本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密□，在年解密后适用本授权书。

本学位论文属于不保密□。

（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：导师签名：日期：目录摘要 (1)第一章绪论 (3)1.1 四轴飞行器定义 (3)1.2 国内外研究现状及发展趋势 (3)第二章四轴飞行器GPS导航模块分析实现设计 (5)2.1 GPS导航系统整体实现程序流程图 (5)2.2 GPS导航系统实现方向框图 (5)2.3 GPS导航模块介绍 (6)2.4 GPS导航模块协议信息接收分析设计 (6)2.5 GPS导航模块协议信息提取设计 (10)2.6 LCD12864液晶显示设计 (10)2.7 按键响应设计 (10)第三章四轴飞行器GPS导航模块硬件设计 (11)3.1 最小系统硬件设计 (11)3.1.1 单片机STC89C52 (11)3.1.2 单片机晶振部分 (12)3.1.3 单片机复位部分 (13)3.1.4 电源模块部分 (13)3.1.5 轻触按键控制部分 (14)3.2 12864液晶显示硬件设计 (14)3.3 GPS导航模块硬件设计 (16)第四章结束语 (18)4.1 展望 (18)4.2 小结与体会 (18)参考文献 (19)附录 (20)四轴飞行器的GPS导航系统设计专业：测控技术与仪器学号：5801211090学生姓名：程浩指导教师：张宇摘要在四轴飞行器诞生之前，如某地发生灾害，救援人员到达现场路途艰辛，派无人机探路虽可以节省时间成本很高，动辄几十万。

2014届毕业设计(论文)题目小型四旋翼飞行器控制系统设计与实现专业班级2010电气工程及其自动化02 学号1004150213姓名孔令上指导教师文小玲教授学院名称电气信息学院2014 年 5 月30日小型四旋翼飞行器控制系统设计与实现Design andImplementation of Control SystemforAQuadrotorUA V学生姓名: 孔令上指导教师: 文小玲教授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、航拍、农业播撒任务。

国外某些科技公司，如亚马逊，正在开发研究利用多旋翼飞行器进行快递投送等自动化的物流业务，可见其具有广泛的军事和民事应用前景。

但是四旋翼飞行器控制难度较大,难点在于飞行器具有欠驱动、多变量、非线性等比较复杂的特性。

因此四旋翼飞行器的建模与控制也成了控制领域的热点和难点。

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。

本文采用牛顿-欧拉模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。

本文限于作者能力未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,而是一定程度上简化了四旋翼飞行器的数学模型，在一定姿态角度内近似将其看作线性系统，以方便使用PID控制算法对飞行器在空中的三个欧拉角进行控制。

本文提出了四旋翼飞行器的系统设计方案,设计了四旋翼飞行器的机械结构,对其进行了模块化设计,按照功能分别设计了姿态检测单元、姿态控制单元和执行单元三个模块。

参考国际上四旋翼开源项目,基于AVR8位单片机Atmega328p、MPU6050IMU模块进行了硬件选型、电路设计与制作、软件代码的编写及调试。

最终实现较好的控制结果。

关键词：Atmega328p；MPU6050IMU模块；PID控制；IIC总线；C语言AbstractThe quad-rotor is a VTOL multi-rotor aircraft. It is very fit for the usage ofreconnaissancemission , monitoring task ，aerial photographing and sowingnear-Earth.What`s more exciting that some foreign technology company，such as ，is developing the way to deliver commodity via QuadrotorUA V ,so it can be known that QuadrotorUA V will be used in widerange of military and civilian applications. The quad-rotor is under-actuated,multivariable, strongly coupled, nonlinear, and uncertainties complex features system.The modeling and controlling have become a hot and difficulty in thecontrol field.A novel system design of Quadrotor is presented to solve the attitude control problem for aQuardrotor UA V. The novel design divided the system into three modules: attitude detection、stability control and actuator module. Referencing to many open source projects regarding Quadrotor UAV aroundthe world, Atmega328p singlechip、MPU6050IMU is chosen here, then design the circuit Schematic and makes PCB,write and debug code.After these endeavor，testing results show the good performance of each unit .Keywords：Atmega328p；MPU6050IMU；PID；IIC bus；C languageI目录摘要 (I)Abstract ..................................................... I I 第一章绪论. (1)1.1 研究背景 (1)1.2 四旋翼飞行器的研究现状 (2)1.3 四轴飞行器飞行原理 (4)第二章飞行器硬件设计 (6)2.1 硬件总体设计框图 (6)2.2 器件选型 (7)第三章飞行器软件设计 (11)3.1 软件总体设计框图 (11)3.2 初始化模块 (11)3.3 遥控接收模块的PPM解码 (12)3.4 电机驱动模块 (14)3.5 传感器数据采集模块 (16)3.6 姿态解算模块 (19)3.7信息综合与决策控制模块 (23)第四章系统调试与实验 (30)4.1 PPM解码调试 (30)4.2 电机驱动PWM波形调试 (30)4.3 姿态解算实验 (31)4.4 整机测试 (31)第五章总结 (33)致谢 (34)参考文献 (35)附录 (37)第一章绪论1.1 研究背景四旋翼飞行器与普通旋翼飞行器相比,具有结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大的升力等优点;而且四旋翼飞行器非常远在狭小的空间内执行任务。

基于单片机的四轴飞行器设计Abstract:This paper presents the design and implementation of a quadrotor based on a microcontroller. The objective of this project is to build a quadrotor platform that can be used for various applications. The quadrotor is equipped with a microcontroller to perform flight control and sensor data acquisition. A range of sensors including IMU, barometer, and GPS are employed to improve the flight stability and precision. The software is developed in C language on an open-source platform, which is easy to modify and extend. Various experiments and performance evaluations are conducted to verify the stability, reliability, and versatility of the quadrotor.Keywords: quadrotor, microcontroller, flight control, sensor, stabilityIntroduction:Quadrotors, also known as quadcopters or drones, have gained increasing attention in various applications such as aerial photography, surveillance, and transportation. A quadrotor is a rotary-wing aircraft that employs four rotors arranged in a cross configuration to generate lift and maneuverability. With the advancement of microcontroller technology, quadrotors can now be designed and implemented using a small-scale microcontroller such as STM32, Arduino, and Raspberry Pi. Microcontrollers provide a convenient and efficient way to perform real-time flight control and sensor data acquisition. In this paper, we present the design andimplementation of a quadrotor based on a microcontroller.System Design:The quadrotor system consists of four identicalpropulsion units, a frame, a microcontroller, a battery, and several sensors. Each propulsion unit consists of a motor, an electronic speed controller (ESC), and a propeller. The frame is made of carbon fiber to minimize the weight and improvethe strength. The microcontroller used in this design isSTM32F407, which has sufficient processing power and memoryto perform real-time flight control and sensor data acquisition. The battery used in the system is a LiPo battery with a capacity of 3000mAh to provide sufficient power forthe quadrotor. A range of sensors including IMU, barometer, and GPS are employed to improve the flight stability and precision. The IMU is used to measure the orientation and acceleration of the quadrotor, while the barometer is used to measure the altitude. The GPS is used to provide location information for the quadrotor.Flight Control:The flight control of the quadrotor is performed by the microcontroller using a proportional-integral-derivative (PID) algorithm. The PID algorithm is used to control the pitch, roll, yaw, and altitude of the quadrotor. The pitch, roll,and yaw are controlled by varying the speeds of the four motors, while the altitude is controlled by varying thethrust of the four motors. The sensor data is acquired by the microcontroller at a sampling rate of 100Hz. The sensor datais processed by the PID algorithm and the control signals are sent to the ESCs to adjust the speed of the four motors. The PID algorithm is tuned using a trial-and-error method to achieve stable and precise flight control.Software:The software used in this design is developed in C language on an open-source platform. The software consists of three main modules: flight control, sensor data acquisition, and communication. The flight control module performs the PID algorithm to control the quadrotor, while the sensor data acquisition module reads and processes the data from the sensors. The communication module is used to transmit the sensor data and control signals to a ground station. The software is designed to be flexible and easily modified to accommodate different sensors and algorithms.Experiments and Performance Evaluations:Various experiments and performance evaluations are conducted to verify the stability, reliability, andversatility of the quadrotor. The quadrotor is tested in both indoor and outdoor environments to evaluate the flightstability and precision. The GPS is tested to verify the accuracy of the location information. The results show thatthe quadrotor is capable of stable and precise flight control and the GPS provides accurate location information.Conclusion:In this paper, we have presented the design and implementation of a quadrotor based on a microcontroller. The system consists of four propulsion units, a frame, a microcontroller, a battery, and several sensors. The microcontroller performs real-time flight control and sensor data acquisition using a PID algorithm. The software is developed in C language on an open-source platform, which is easy to modify and extend. Various experiments andperformance evaluations are conducted to verify the stability, reliability, and versatility of the quadrotor. The resultsshow that the quadrotor is capable of stable and precise flight control and can be used for various applications.。

四旋翼飞行器的稳定悬停与飞行设计论文四旋翼飞行器的稳定悬停与飞行设计论文四旋翼飞行器的研究解决了众多的军用与民用上的问题。

下面由学术堂为大家整理出一篇题目为“四旋翼飞行器的稳定悬停与飞行设计”的航天工程论文，供大家参考。

原标题：四旋翼控制系统的设计摘要：在充分考虑四旋翼飞行器功能及性能的基础上，给出了微型四旋翼飞行器的实现方案，采用RL78G13为核心处理器，采用MPU6050实现飞行姿态数据的采集，利用nRF24L01无线模块实现参数的无线传输，并进行了驱动电路、电源稳压电路、电池电压检测电路的设计。

针对四旋翼飞行器在工作过程中供电电压不断降低导致控制不稳的问题，采用电池电压反馈的控制策略有效解决了该问题。

在搭建的硬件平台上，编写了相应的控制程序，经过测试，实现了四旋翼飞行器的稳定控制。

关键词：四旋翼飞行器；姿态数据；无线传输四旋翼飞行器的研究解决了众多的军用与民用上的问题。

军方利用四旋翼飞行器进行侦查、监视、诱饵与通信中继，解决了人为操作困难的问题，甚至减免了人员的伤亡；而在民用上，四旋翼飞行器能够实现大气监测、交通监控、森林防火等功能，有效预防了危机的产生，而促使四旋翼飞行器得到广泛应用的前提，是实现其平稳飞行及自主运行[1].本设计以实现四旋翼飞行器的稳定悬停与按照预定轨道自主飞行为目标，旨在探索四旋翼飞行器的硬件结构与飞行原理，并通过实际调试，理解四旋翼飞行器的相关控制理论，并解决四旋翼飞行器在工作过程中由于供电电压不断降低导致控制不稳的问题。

1设计原理方案四旋翼飞行器的核心是利用MPU6050对其飞行过程中的三轴加速度与三轴角速度值进行采集，主控制器采用四元数方法及PID算法对姿态数据进行解算，并将计算后的PWM控制信号施加到电机上，进而实现对四旋翼飞行器的控制。

通过调研及综合目前四旋翼飞行器系统的特点及要求，确定了设计的性能及指标如下。

（1）通信功能：具有无线接口，实现飞行功能的无线设定。

基于单片机的四轴飞行器毕业设计目录摘要 ................................................................................................ 错误!未定义书签。

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第1章绪论 .. (1)1.1 论文研究背景及意义 (1)1.2 国内外的发展情况 (2)1.3 本文主要研究内容 (4)第2章总体方案设计 (5)2.1 总体设计原理 (5)2.2 总体设计方案 (5)2.2.1 系统硬件电路设计方案 (5)2.2.2 各部分功能作用 (6)2.2.3 系统软件设计方案 (7)第3章系统硬件电路设计 (8)3.1 Altium Designer Summer 09简介 (8)3.2 总体电路设计 (8)3.2.1 遥控器总体电路设计 (8)3.2.2 飞行器总体电路设计 (10)3.3 各部分电路设计 (10)3.3.1 电源电路设计 (10)3.3.2 主控单元电路设计 (12)3.3.3 无线通信模块电路设计 (13)3.3.4 惯性测量单元电路设计 (16)3.3.5 电机驱动电路设计 (18)3.4 PCB设计 (21)3.4.1 PCB设计技巧规则 (21)3.4.2 PCB设计步骤 (22)3.5 实物介绍 (25)第4章系统软件设计 (27)4.1 Keil MDK5.12简介 (27)4.1.1 Keil MDK概述 (27)4.1.1 Keil MDK功能特点 (27)4.2 软件设计框图 (28)4.3 软件调试仿真 (29)4.4 飞控软件设计 (30)4.4.1 MPU6050数据读取 (30)4.4.2 姿态计算IMU (32)4.4.3 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)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。

摘要四旋翼飞行器是一种四螺旋桨驱动的、可垂直起降的飞行器，这种结构被广泛用于微小型无人飞行器的设计，可以应用到航拍、考古、边境巡逻、反恐侦查等多个领域，具有重要的军用和民用价值。

四旋翼飞行器同时也具有欠驱动、多变量、强耦合、非线性和不确定等复杂特性，对其建模和控制是当今控制领域的难点和热点话题。

本次设计对小型四旋翼无人直升机的研究现状进行了细致、广泛的调研，综述了其主要分类、研究领域、关键技术和应用前景，然后针对圆点博士的四旋翼飞行器实际对象，对其建模方法和控制方案进行了初步的研究。

首先，针对四旋翼飞行器的动力学特性，根据欧拉定理以及牛顿定律建立四旋翼无人直升机的动力学模型，并且考虑了空气阻力、转动力矩对于桨叶的影响，建立了四旋翼飞行器的物理模型；根据实验数据和反复推算，建立系统的仿真状态方程；在Matlab环境下搭建了四旋翼飞行器的非线性模型。

选取四旋翼飞行器的姿态角作为控制对象，借助Matlab模糊工具箱设计了模糊PID控制器并依据专家经验编辑了相应的模糊规则；通过仿真和实时控制验证了控制方案的有效性，并在此控制方案下采集到了输入输出数据；利用单片机编写模糊PID算法控制程序，实现对圆点博士四旋翼飞行器实物的姿态控制。

本设计同时进行了Matlab仿真和实物控制设计，利用模糊PID算法，稳定有效的对四旋翼飞行器的姿态进行了控制。

关键词：四旋翼飞行器；模糊PID；姿态控制ⅠAbstractQuadrotor UA V is a four propeller driven, vertical take-off and landing aircraft, this structure is widely used in micro mini unmanned aerial vehicle design and can be applied to multiple areas of aerial, archaeology, border patrol, anti-terrorism investigation, has important military and civil value.Quadrotor UA V is a complicated characteristic of the complicated characteristics such as the less drive, the multi variable, the strong coupling, the nonlinear and the uncertainty, and the difficulty and the hot topic in the control field.Research status of the design of small quadrotor UA V were detailed and extensive research, summarized the main classification, research areas, key technology and application prospect of and according to Dr. dot quadrotor actual object, the modeling method and control scheme were preliminary study.First, for the dynamic characteristics of quadrotor UA V, dynamic model of quadrotor UA V is established according to the theorem of Euler and Newton's laws, and consider the air resistance and rotation torque for the effects of blade, the establishment of the physical model of the quadrotor UA V; root according to experimental data and repeated calculation, the establishment of system simulation equation of state; under the MATLAB environment built the nonlinear model of the quadrotor UA V Select the attitude of the quadrotor angle as the control object, with the help of matlab fuzzy toolbox to design the fuzzy PID controller and according to experience of experts to edit the corresponding fuzzy rules; through the simulation and real-time control verify the effectiveness of the control scheme, and this control scheme under the collection to the data input and output; written by SCM fuzzy PID control algorithm, dots, Quad rotor UA V real attitude control. The design of the Matlab simulation and the physical control design, the use of fuzzy PID algorithm, the stability of the four rotor aircraft attitude control.Keywords:Quadrotor UA V;F uzzy PID;Attitude controlⅡ目录摘要（中文） (Ⅰ)摘要（英文） (Ⅱ)第一章概述 (1)1.1 课题背景及意义 (1)1.2 四旋翼飞行器的研究现状 (2)1.3 四旋翼飞行器的关键技术 (5)1.3.1 数学模型 (6)1.3.2 控制算法 (6)1.3.3 电子技术 (6)1.3.4 动力与能源问题 (6)1.4 本文主要内容 (6)1.5本章小结 (7)第二章四旋翼飞行器的运动原理及数学模型 (7)2.1四旋翼飞行器简介 (7)2.2 四旋翼飞行器的运动原理 (8)2.2.1 四旋翼飞行器高度控制 (8)2.2.2 四旋翼飞行器俯仰角控制 (9)2.2.3 四旋翼飞行器横滚角控制 (9)2.2.4 四旋翼飞行器偏航角控制 (10)2.3四旋翼飞行器的数学模型 (11)2.3.1坐标系建立 (11)2.3.2基于牛顿-欧拉公式的四旋翼飞行器动力学模型 (12)2.4 本章小结 (15)第三章四旋翼飞行器姿态控制算法研究 (15)3.1模糊PID控制原理 (15)3.2 姿态稳定回路的模糊PID控制器设计 (16)3.2.1 构建模糊PID控制器步骤 (17)3.2.2 基于Matlab的姿态角控制算法的仿真 (22)3.3 本章小结 (25)第四章四旋翼飞行器飞行控制系统软件设计 (25)4.1 模糊PID控制算法流程图 (25)4.2 系统实验及结果分析 (26)4.3 本章小结 (27)第五章总结与展望 (28)5.1 总结 (28)5.2 展望 (28)参考文献 (28)第一章概述有史以来，人类一直有一个梦想，那就是可以像蓝天上自由翱翔的鸟儿一样。