基于ARM单片机四旋翼飞行器控制器设计

本科毕业论文（设计）基于ARM 单片机的四旋翼飞行器 控制器设计系 （部）专 业学 号学生姓名指导教师提交日期中工 信商概要近几年，微小型的四旋翼无人机已逐渐成为无人机领域的研究热点。

由于其灵活性，机体结构简单，维修方便等优点，并且可以在空中悬停，垂直起飞和着陆。

所以它在军事和民用领域巨大的应用潜力，在架构设计和飞行控制国内外许多研究机构的研究也致力于四个旋翼无人机飞行控制系统，以实现四个旋翼无人机自主飞行]10[。

四旋翼无人机飞行控制系统的重要组成部分是其机载的传感器系统，由于它为机载控制系统提供了可靠的飞行状态信息，因此是实现四旋翼无人机自主飞行的重要设备之一。

本论文设计了一种基于ARM处理器作为主控制器的四旋翼飞行器，由MTi.G惯性导航一体机，高精度声纳传感器和无线遥控器为主的机载传感器系统。

该系统已经完成了航班状态信息的采集和处理，与空气中的控制器，实现了四旋翼飞行器空中自主悬停控制。

使用现有的机载控制器硬件平台的ARM嵌入式控制器的功能是构建一个功能完善，和机载传感器系统（微型姿态航向参考系统和声纳传感器）的采集和处理测量的数据，对采集到的数据以及遥控数据进行一定的PID算法的计算]2[，进而控制四个无刷直流电机的转动，实现可四旋翼飞行器的稳定飞行。

关键字：四旋翼无人机声纳传感器无刷直流电机Four rotor aircraft design based on ARM single chipmicrocomputerABSTRACTIn recent years，quadrotor helicopter has become a hotspot of the research about unmanned aerial vehicle(UA V)．It has high maneuverability，easy maintance，simple configuration, and the ability of agile hovering，vertical taking off and landing(VTOL)．Because of their huge potential application values for civil and military utilization，researches on the architecture of flight control system(FCS)are conducted by many universities and companies to achieve autonomous flight control of quadrotors．Onboard sensor system is a very important component of flight control system because it will supply reliable flight informations of quadrotor for the flight controller.In this paper，a self assembled quadrotor helicopter is used as the airframe for the flight control system design．An attitude measuring method based on ARM processor is proposed, which gives out attitude informations of medium and low accuracy. The data acquisition and processing about the flight information of quadrotor is accomplished．The qutonomous hovering control of quadrotor cooperating with flight control system onboard is achieved．A complete platform of flight control system onboard is estibalished by there—development of ARM embedded controller to make it possible for the scource code to be run on the ARM embedded controller．Onboard data accquiration and processing are implemented．Then PID algorithm for computing some of the collected data, and then control four brushless DC motor rotation, achieve stable flight four rotary wing aircraft.Keywords:Quadrotor ARM AHRS Sonar Four brushless DC motor rotation目录1 绪论 (1)1.1 研究的前景与意义 (1)1.2 国内外的研究现状 (1)2 设计任务 (3)2.1 设计要求 (3)2.2 使用说明 (3)3 四轴飞行器样机结构与硬件选择 (4)3.1 样机结构与系统结构 (4)3.2 硬件设计与选型 (6)3.2.1 核心板 (6)3.2.2 陀螺仪 (6)3.2.2 超声波模块 (7)3.2.3 电源模块 (8)3.2.4 电机模块 (9)3.2.5 无线通信与显示 (10)4 程序设计与调试 (12)4.1 飞行器姿态导航的数据的采集 (13)4.2 声呐传感器数据的采集 (14)4.3 电机的控制 (15)4.5 调试 (16)结论 (18)参考文献 (19)致谢 (20)附录 (20)1 绪论1.1 研究的前景与意义四旋翼无人飞行器拥有很多优点和广阔的应用前景。

由于其具有便于携带、设计灵活、可重复使用、成本低等特性，而且可以装配雷达系统、制导系统、摄像机、武器装置等设备，可以完成载人飞机无法完成的高危任务]4[，因此小型四旋翼无人机具备了小型垂直起降无人机的几乎所有的优点，在军事和民用上同样有着广泛的应用前景，例如可用于侦察、监视、搭建临时通信通道、巡逻、搜寻遇险人员、对多种线路进行航拍、安全测量等方面]1[。

随着军事战略思想的转变以及航空事业的发展，无人机的发展亦受到了更加广泛的关注，各国都投入大量的人力物力研制更加先进的无人机。

英、法、德等国都投入了巨大的资金进行无人机的研制、生产和装备，美国更是将其看做反恐战争和未来空袭中的利器。

四旋翼无人飞行器以通过控制四个旋翼以达到控制飞行的方式，所以其性能优秀、结构不复杂等优势，对其的研究也是国内外的新热点，研究主要集中在飞行控制和导航问题上。

同时，四旋翼无人机也具有很大的可持续开发价值。

由于四旋翼无人机需要向多用途方向发展，因此对姿态测量系统以及其它子系统都提出了更高的要求，可以促进更多有价值的二次开发]3[。

由于小型四旋翼无人机具有维护方便、结构简单、使用常规部件和能源等优点，使其制造和使用成本相对于其他无人飞行器更为低廉，使其所具备的广泛用途。

进入到21 世纪，无人机的技术已臻于成熟，在一定程度上反映了各国航空技术和智能控制的水平。

综上所述，开展小型四旋翼无人机的理论和技术研究、加强国防建设、创造经济效益、推动相关产业和技术发展等方面都具有重大的意义。

1.2 国内外的研究现状目前，四旋翼无人飞行器可分为3类：小型四旋翼无人飞行器、航模四旋翼无人飞行器、微型四旋翼无人飞行器]5[。

1、四旋翼无人机模型以香港银辉（银辉）玩具有限公司和美国Draganflyerway 公司XZ-UFO和德拉甘-传单Ⅲ为代表的发展模式。

德拉甘-flyerwayIII主要用于航空摄影，是一个众所周知的遥控航模无人机4旋翼飞机，飞机重量3601.1克，重量10g，最大跨度506毫米，转子直径269毫米，高160毫米，20-30的续航时间分钟，实际飞行载荷7673.2克。

姿态传感器的应用来检测飞机的姿态，飞行车身由碳纤维制成。

XZ-UFO390毫米，最大跨度234毫米。

遥控飞行距离为100米，持续时间5分钟]5[。

2、小型四旋翼无人飞行器研究小型无人驾驶四旋翼飞机主要有3个方面的设计，自主车辆系统基于视觉的自主飞行，并根据自主飞行的惯性导航，代表作有科技大学宾夕法尼亚大学佐治亚理工学院和技术的瑞士联邦理工学院在洛桑，分别是GTMARS98，OS64，HMX44。

3、微型四旋翼无人飞行器微型无人飞行器(MA V)因其特点引起科研人员的更多关注，Mesicopterway国际上最著名的MA V之一。

Mesicopterway是NASA支持下由斯坦福大学的研究人员完成的，是为了能够更好的研究微型旋翼飞行器技术进行设计的。

目前，己经实现了试验样机在竿臂上的离地起飞，最终目标是自主飞行和多机协作飞行。

固定翼无人飞行器的技术已经很成熟，以美国和以色发展为代表，都已经应用于实战，例如美国在伊拉克战争中的战斗机无人驾驶飞机，由“捕食者”完成后，超过50％的攻击目标的“全球鹰”，高达79.3％的完成率提供的图像目标识别。

旋翼无人机的发展，因为它的速度慢，与固定翼对照组相比，太复杂，早期无法实现自我稳定的飞行控制，但垂直起降飞机是固定翼没有的优势，可以在各种环境中飞行，比固定翼着陆和飞行的更加智能化，还可以实现各种飞行姿态。

垂直起降无人机拥有独特的飞行性能。

从上世纪50年代开始，垂直起降无人屡屡出现新概念飞行器，其中碟形飞行器最受关注，在影视娱乐、科学研究、管线巡检、军用化应用等方面有广泛的应用，在其他方面也将有着广泛的发展前景。

在技术的发展的前沿，逐步实现了四旋翼无人机实用性的进展。

研究四旋翼无人机包含了许多跨学科的高、精、尖技术，对于相关技术的发展起到了积极的推动作用，扩大了研究范围。

其研究水平在一定程度上反映了该国在微机电系统技术领域的实力。

目前，我国许多部门也开始了关于微型无人直升机及视觉导航技术方面的研究。

但是，能处理室内复杂环境的微型无人直升机的研究相对较少。

为了进一步扩大无人直升机的应用领域，室内微型无人直升机的研究势在必行。

2 设计任务2.1 设计要求设计一个可以控制小型四旋翼的控制器，该控制器可以自动或接收遥控器的手动控制信息控制飞行器按要求的轨迹和高度飞行。