四轴飞行器毕业设计

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。

目录1前言 (1)1.1背景与意义 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.3论文主要工作 (2)2总体方案设计 (3)2.1方案比较 (3)2.2方案论证与选择 (3)3飞行器原理与结构 (5)3.1飞行器原理 (5)3.2飞行器结构 (6)4单元模块设计 (8)4.1各单元模块功能介绍及电路设计 (8)4.1.1电源 (8)4.1.2 STM32F407最小系统 (9)4.1.3 下载电路 (11)4.1.4 飞控姿态模块 (11)4.1.5 无刷电机连接电路 (12)4.1.6 串口接口电路 (12)4.2特殊器件的介绍 (12)4.2.1 无线数传模块 (12)4.2.2 飞控姿态模块 (13)5软件设计 (16)5.1软件设计原理及设计所用工具 (16)5.2主要软件设计流程框图及说明 (17)5.2.1串口中断流程图 (17)5.2.2外部中断流程图 (18)5.2.3主程序流程图 (18)6系统调试 (20)6.1 通信系统 (20)6.2 姿态传感器调试 (21)6.2.1 传感器数据分析与处理 (21)6.2.2 姿态解算 (23)6.2.3 数据中断 (28)6.3 PID调试 (30)6.3.1 PID姿态控制 (30)6.3.2 飞控系统PID调试 (33)7系统功能、指标参数 (36)7.1系统能实现的功能 (36)7.2系统指标参数 (36)8结论 (38)8.1 回顾 (38)8.2 展望 (38)9总结与体会 (39)10谢辞 (40)11参考文献 (41)附录： (42)1.硬件电路图 (42)2.PCB图 (43)3.部分程序 (44)4.外文翻译 (46)1前言1.1背景与意义近年来得益于现代控制理论与电子控制技术的发展，四轴飞行器得到了广泛的关注，在民用与工业领域，具有广泛的应用前景。

甚至无人机在战争中得到广泛的应用。

当下无人机发展火热，其中以四旋翼飞行器的发展最为突出。

目 录摘 要 .................................................................... I ABSTRACT . (II)第1章 绪论 (1)1.1 前言 (1)1.2 本课题研究意义 (1)1.3 国内外研究成果 (2)1.4 本课题主要研究内容 (2)1.4.1 研究主要内容 (2)1.4.2 研究方案 (3)1.5 系统设计框图 (3)第2章 四轴飞行器硬件组成 (5)2.1 DIY 四轴飞行器介绍 (5)2.1.1 四轴飞行器 (5)2.1.2 DIY 操作 (5)2.2 部分器件的作用介绍 (6)2.2.1 无刷直流电机 (6)2.2.2 电子调速器 (6)第3章 姿态传感器介绍 (7)3.1 三轴加速度计 (7)3.1.1 传感器原理 (7)3.1.2 ADXL345 (8)3.2 三轴陀螺仪 (9)3.2.1 概述 (9)3.2.2 传感器原理 (10)3.2.3 ITG-3200 (11)3.3 三轴磁场传感器 (11)3.3.1 传感器原理 (11)3.4 本章小结 (11)第4章 飞行器模型分析 (13)4.1 概述 (13)4.1.1 飞行器飞行原理 (13)4.1.2 四轴飞行器模型建立办法 (14)4.2 力或力矩与螺旋桨的关系 (14)4.2.1 升力和扭矩关系 (15)4.2.2 阻力和侧向力矩的关系 (15)4.2.3 L Q D T C C C C 、、、的建立 (16)第5章 算法设计 (19)5.1 悬停控制算法设计 (19)5.1.1 悬停算法分析 (19)5.1.2 PID 算法选择分析 (21)5.1.3 PID三个参数的大小对于响应波形的影响 (21)5.1.4 模糊控制规则的建立 (21)5.1.5 模糊控制表的建立 (22)5.1.6 小结 (22)5.2 运动算法设计 (22)5.2.1 运动时和悬停时的差别 (23)5.2.2 Z轴旋转解决办法设计 (23)5.2.3 固定倾斜解决办法 (24)5.2.4 控制算法小结 (24)5.3 九轴数据的融合算法 (24)5.3.1 关于数据融合必要性的分析 (25)5.3.2 加速度计与陀螺仪的数据融合 (25)第6章程序设计 (27)6.1 程序设计思想 (27)6.1.1 程序方案 (27)6.2 串口接收数据并重装 (27)6.2.1 概述 (27)6.2.2 程序设计 (28)6.3 PID算法程序 (28)6.4 电调PWM信号 (29)总结 (30)论文小结 (31)致谢 (32)参考文献 (33)附录一： (34)附录二： (41)摘要今年来航模界的目光已经从固定轴飞行器转移到了多旋翼飞行器的设计上。

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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 UnmannedAerial 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；PIDThe Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned AerialVehicleAbstractQuad—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 。

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。

四轴无人机毕业设计任务书一、任务概述本毕业设计任务旨在开发一款四轴无人机，具备基本的飞行功能、遥控功能、图像传输功能和自主飞行功能。

设计要求充分考虑无人机的安全性、稳定性、可操作性和低成本，同时具备实际应用的可行性。

二、任务要求1. 无人机基本参数：•尺寸：最大展开尺寸不超过XX厘米×XX厘米×XX厘米；◦ 重量：最大起飞重量不超过XX千克；◦ 飞行时间：单次充电最大飞行时间不少于XX分钟；◦ 飞行速度：最大飞行速度不超过XX米/秒。

2. 无人机硬件系统：•飞行控制系统：包括加速度计、陀螺仪、GPS模块等传感器，以及相应的控制电路；◦ 电动机及驱动系统：提供足够的推力以实现飞行，并配备电子调速器（ESC）以控制电动机转速；◦ 电池及充电器：提供足够的能量以支持无人机飞行，并需具备保护电路以防止过充、过放和短路；◦ 遥控设备：包含遥控器、接收器等。

3. 无人机软件系统：•飞行控制软件：实现无人机的稳定飞行、遥控指令接收等功能；◦ 图像传输软件：实现无人机拍摄画面的实时传输；◦ 自主飞行软件：根据预设航线或GPS导航实现无人机的自主飞行。

4. 安全性能：•具备异常情况下的自动降落功能；◦ 配备紧急停飞开关，可在紧急情况下切断电源，使无人机立即停止运动。

5. 其他要求：* 设计文档齐全，包括硬件设计、软件设计、测试报告等；* 具备基本的地面测试和飞行测试，确保无人机性能达标。

三、时间安排与进度计划本毕业设计任务计划为期XX个月，具体时间安排与进度计划如下：1. 第1个月：进行市场调研和文献资料收集，确定设计方案，完成硬件选型和软件框架搭建；2. 第2-3个月：进行硬件电路设计和制作，包括飞行控制系统、电动机驱动系统、电池及充电器等；3. 第4-5个月：进行软件编程和调试，包括飞行控制软件、图像传输软件和自主飞行软件等；4. 第6-7个月：进行地面测试和初步飞行测试，对软硬件系统进行优化调整；5. 第8-9个月：进行更全面的飞行测试，包括在不同环境下的性能测试和安全性评估；6. 第10-11个月：整理设计文档，撰写毕业论文；7. 第12个月：进行毕业设计答辩。

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。

四轴毕业设计四轴毕业设计一、引言四轴毕业设计是一项极具挑战性的任务，它要求学生将理论知识与实践技能相结合，设计并制造出一架能够稳定飞行的四轴飞行器。

本文将探讨四轴毕业设计的重要性、设计过程中的关键问题以及可能的解决方案。

二、背景随着无人机技术的快速发展，四轴飞行器成为了热门的研究领域。

它具有灵活性高、操控性好等优点，被广泛应用于航拍、农业、救援等领域。

因此，通过参与四轴毕业设计，学生能够深入了解无人机的原理和设计过程，为未来从事相关工作打下坚实的基础。

三、设计过程1. 需求分析在开始设计之前，需要明确设计的目标和需求。

这包括飞行器的最大飞行高度、飞行时间、负载能力等。

通过分析需求，可以为后续的设计和测试提供指导。

2. 组件选择四轴飞行器的设计涉及到多个组件的选择，包括电机、电调、飞控、传感器等。

在选择组件时，需要考虑其性能、可靠性和兼容性。

同时，还需要注意组件的价格和供应渠道，以确保项目的可行性。

3. 结构设计四轴飞行器的结构设计是关键的一步。

它包括框架设计、螺旋桨安装、电池固定等。

设计师需要考虑飞行器的稳定性、重心位置以及对外界干扰的抵抗能力。

通过使用CAD软件进行三维建模和仿真，可以在设计阶段尽早发现问题并进行改进。

4. 控制系统设计四轴飞行器的控制系统是实现稳定飞行的关键。

它包括姿态控制、高度控制、位置控制等。

设计师需要选择合适的控制算法，并将其实现在飞控硬件上。

同时，还需要进行系统调试和参数优化，以提高飞行器的性能和稳定性。

5. 飞行测试设计完成后，需要进行飞行测试来验证设计的可行性和性能。

测试过程中，需要注意安全问题，并进行数据记录和分析。

根据测试结果，可以对设计进行改进和优化，以达到预期的飞行效果。

四、关键问题与解决方案1. 稳定性问题四轴飞行器的稳定性是设计中的一个重要问题。

通过使用加速度计、陀螺仪和气压计等传感器，可以实时检测飞行器的姿态和位置，从而进行控制调整。

此外，使用PID控制算法可以对姿态进行稳定控制。

基于四轴飞行器的合训类本科毕业设计实践研究引言毕业设计是高等院校培养高素质综合型人才的最后一个阶段，也是学员在任职前经历的一个综合性、实践性很强的教学环节。

在毕业设计过程中，学员在导师的指导下，综合运用本科期间所学的专业知识和基本技能分析、研究和解决一个实际问题，从而提高学员的实践能力和综合素质，其质量是衡量高等院校教育教学水平的一项重要指标。

基础合训类学员的教学目标是培养适应军队现代化建设、打赢信息化战争需要的懂技术、会管理、能指挥的高素质初级指挥军官。

作为从院校走向部队工作岗位的一个过渡，合训类本科毕业设计应该反映作战方法研究和工程技术研究的双重特点，题目要具有一定的应用性和前瞻性，例如各种新型武器装备在作战应用中的现实问题和直接需求。

围绕院校教育向部队靠拢这个主题，针对如何适应部队未来信息化作战需要以及如何培养学员实践动手能力和激发学习兴趣等问题，笔者所在教研室在AR.Drone四轴飞行器的基础上开展了合训类本科毕业设计的探索，从选题、开题、指导、演示到答辩等整个环节采取了一系列措施。

A R .D rone飞行器和选题介绍当前，无人作战平台、自治系统在现代化战争中得到广泛应用，无人飞行器凭借成本低、适应力强、出勤率高、零伤亡等特点成为现代战争的重要组成部分。

无人飞行器如何完成作战任务、如何进行技术革新是现代军人面临的问题。

作为未来信息化战争的主力军，合训学员应该了解、应用、革新无人飞行器等新型武器装备。

近两年来，我们以AR.Drone四轴飞行器为平台，开展面向无人飞行器控制软件创新实验的合训类本科毕业设计，旨在提高学员对信息化装备的操控能力和技术革新能力，并了解信息化装备战斗力生成的一般模式和创新思维。

AR.Drone是法国Parrot公司开发的一款遥控四轴飞行器，计算机、平板电脑和智能手机等设备可以通过Wi-Fi网络对其进行远程控制。

AR.Drone有4个无刷内转马达以及陀螺仪、加速度计、磁强计、超声波等传感器，配备两个摄像头，使用ARM A8 CPU和Linux操作系统。