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四旋翼飞行器系统硬件平台设计与实现

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ＡＲＭ （ａｄｖａｎｃｅｄ ＲＩＳＣ ｍａｃｈｉｎｅｓ）芯片作为控制系统 的控制 文献 ［８］为实现稳定 可靠 的飞行 ，飞行 器 ４个 电机 的转 速
器来搭 建 四旋翼 飞行 器 硬 件 平 台 ，其 中，气压 计 和 ＧＰＳ 控制均单独 由一块 Ａｔｍｅｇａ８单片机实现 ，并选用 Ａｔｍｅｇａ１６
Ｏ 引 言
（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号 的转 换 ，该平 台可 实现滚 转 角 、俯仰角 、水平纵 向和横 向位置 的 ４个 自由度 自主控制 ；
四旋翼 飞行 器结 构简 单 、机动 性强 、制造 成本 低 、易 文献 ［７］硬件平 台的姿态控制 系统主要考 虑室 内飞行 的情
Ｈａｒｄｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｑｕａｄｒｏｔｏｒ ＵＡＶ ｓｙｓｔｅｍ
ＪＩ Ｙｉ—ｄａｏ，ＰＡＮ Ｘｕｎ，ＧＵＯ Ｙ ｕ—ｋｕｎ，ＹＵ Ｙａｏ＋ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）
ｓｅｎｓｏｒ ｗ ｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｅｒｍ ｓ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅｓ，ｃｏｍ ｍ ｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ ａｎｄ ｗｏｒｋ ｐａｔｔｅｒｎｓ． Ｔｈｅ ｆｌｉｇｈｔ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉＳ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｑｕａｄｒｏｔｏｒ ＵＡＶ ；ｈａｒｄｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ；ＤＳＰ；ＩＭ Ｕ ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｅｎｓｏｒ
（ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ） 模 块 测 量 的 数 据 由 ＡＲＭ ９处 单片机作为采集 陀螺仪 信息 、接收无 线模块 通信 信号 和控
理 ，三轴 陀螺 仪和三轴加速度计 的数据 由 Ａ Ｒ Ｍ７处理 ，两 制 Ａｔｍｅｇａ８的主控芯片 ；文献 Ｅ９］设计的 四旋翼飞行器硬
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｑｕａｄｒｏｔｏｒ ＵＡＶ ｓｙｓｔｅｍ ，ａ ｈａｒｄｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ
ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ， ｄｅｖｉｃｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ． Ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃｏｍ ｐｏｎｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉ１，ａｎｄ ｔｈｅ ＤＳＰ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｔｈｅ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ｕｎｉｔ（ＩＭ Ｕ ）ａｎｄ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ
获取 传感器信息和运行控制算法 ，下层 ＡＶＲ单片机主要实 软件 实时显示 飞行器 状态 ，该 平 台固定 于立柱 顶端 的球关
现 ＡＲＭ 嵌入 式控 制 器 的 数字 控 制 量 到 ＲＣ接 收机 ＰＷＭ 节 ，属 于 “半 实物仿真 ”。
块 Ａ Ｒ Ｍ 芯 片 通 过 ＳＰＩ （ｓｅｒｉａｌ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ） 接 口通 件在 环仿 真平 台采 用 ＤＳＰ作为底层 电机控 制芯 片 ，工控计
信 ；文献 ［６２设计的平 台采 用 ＡＲＭ 芯片作 为上层 处理器 算机作 为仿真 控制器 ，并结合 Ｆｌｉｇｈｔ Ｇｅａｒ和 Ｇｏｏｇｌｅ Ｅａｒｔｈ
２０１６年 １月 第 ３７卷 第 １期
计 算机 工程 与设 计
Ｃ０Ｍ ＰＵ Ｔ ＥＲ ＥＮ ＧＩＮＥＥＲＩＮ Ｇ Ａ Ｎ Ｄ ＤＥＳＩＧＮ
Ｊａｎ． ２０１６ Ｖｏｌ＿３７ Ｎｏ．１
四旋翼飞行器系统硬件平 台设ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ与实现
吉一 纛 ，潘 汛 ，郭 玉 坤 ，余 瑶 ＋
（北京科技 大学 自动化 学院 ，北京 １０００８３） 摘 要 ：为实现对 四旋翼飞行 器的应 用和研 究，根据现有项 目对 飞行 控制 系统的功能 、设备接 口、使 用环境 等要 求 ，设计
一 套 基 于数 字信 号 处理 器 的 飞行 器 系统 硬 件 平 台 。详 细叙 述 硬 件 平 台 总体 设 计 方 案 和 具 体 硬 件 选 型 情 况 ，重 点 介 绍 数 字 信 号处理 器、惯性测量单元 、超声波传感 器等主要 器件 的性 能、通信接 口、工作模 式等 。实际飞行 测试结果表 明，该硬 件平 台性 能可靠、安全 可行 ，满足研制要 求。 关 键 词 ： 四旋 翼 飞 行 器 ；硬 件 平 台 ；数 字 信 号 处理 器 ；惯 性 测 量 单 元 ；超 声波 传 感 器 中 图法 分 类 号 ：ＴＰ３９１．８ 文 献 标 识 号 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０００—７０２４ （２０１６） ０１—００７６—０５ ｄｏｉ：１０．１６２０８／ｊ．ｉｓｓｎｌ０００—７０２４．２０１６．０１．０１６
于小 型化 ，能 够实现 垂直 起降 、 自由悬停 ，能够适 应 多种 况 ，以 ＤＳＰ作为主控制器 ，利用 ＡＤＩＳ１６３３５三轴惯性测 量
工作 环 境 、执 行 多 种 特 殊 任 务口。］。文 献 ［５］ 采 用 两 块 传感器获 取姿 态 信息 ，超 声 波测 距传 感器 测 量 飞行 高度 ；

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小型四旋翼低空无人飞行器综合设计

小型四旋翼低空无人飞行器综合设计

是实现遥控设备与飞行器之间通信的关键。在选择无线传输品牌 和型号时，需要考虑传输距离、信号稳定性、安全性等因素。同时，对于某些 特殊场景，还需要考虑防水、抗震等特殊性能。
3、传感器应用
传感器技术在小型四旋翼低空无人飞行器中扮演着重要的角色。通过使用多种 传感器，可以实现飞行器的定位、导航、控制等功能。为了保证数据的准确性 和可靠性，需要对传感器进行定期校准和维护。
实验结果与分析
通过仿真实验，本次演示提出的混合控制方法取得了显著的实验效果。在轨迹 跟踪实验中，飞行器能够快速准确地跟踪给定的轨迹，具有良好的动态性能和 稳定性。此外，通过与单一控制方法的对比实验，本次演示提出的混合控制方 法在跟踪精度和稳定性方面均表现出明显的优势。
结论与展望
本次演示针对四旋翼无人飞行器的非线性控制问题，提出了一种基于鲁棒控制 和滑模控制的混合控制方法。通过仿真实验验证了该方法的有效性。然而，仍 然存在一些不足之处，例如对飞行器的动态特性分析不够准确、控制系统的实 时性有待提高等。
设计思路
1、总体设计
小型四旋翼低空无人飞行器主要由机身、旋翼、遥控器等部分组成。机身采用 轻量化材料制成，以减小飞行器的重量，便于携带；旋翼则由四个电机驱动， 以实现飞行器的稳定飞行；遥控器则用于控制飞行器的飞行轨迹和高度。
2、硬件设计
硬件配置是小型四旋翼低空无人飞行器的核心部分，主要包括电池、传感器、 遥控设备等。电池选用高容量、轻量化的锂离子电池，以延长飞行器的续航时 间；传感器则采用GPS、加速度计、陀螺仪等，以实现飞行器的定位、导航和 控制；遥控设备则选用2.4GHz遥控器，以实现遥控设备的无线传输。
小型四旋翼低空无人飞行器综 合设计
01 引言
03 参考内容
目录
基于DSP四旋翼飞行器姿态控制系统硬件设计

基于DSP四旋翼飞行器姿态控制系统硬件设计


进而输出控制信号给电机。在硬件设计阶段，需要考虑到传感器的选择、电 路设计、PCB布局等因素，以确保系统的稳定性和性能。
设计思路
1、传感器选择
姿态控制系统需要获取飞行器的角速度和角度信息，因此需要选择相应的传 感器。角速度传感器通常采用陀螺仪，而角度传感器则可采用加速度计或磁力计。 考虑到系统的性能和稳定性，我们选择了基于MEMS技术的角速度传感器和加速度 计，以及磁力计作为姿态信息的获取手段。
阔的发展前景。未来我们将继续深入研究四旋翼飞行器的相关技术，为推动 其发展做出贡献。
谢谢观看
为四旋翼飞行器的姿态控制系统提供了强大的支持。本次演示将介绍一种基 于DSP的四旋翼飞行器姿态控制系统的硬件设计。
关键词：四旋翼飞行器、DSP、 姿态控制系统、硬件设计
概述
四旋翼飞行器姿态控制系统的主要任务是通过对四个电机的精确控制，实现 飞行器在空中的稳定飞行。为了实现这一目标，姿态控制系统需要实时获取飞行 器的姿态信息（包括角速度和角度），并通过DSP对这些信息进行处理和计算，
然而，在实验过程中也出现了一些问题，如信号干扰和噪声等。为了解决这 些问题，我们采取了相应的措施，如优化PCB布局、增加滤波电路等，从而减小 了干扰和噪声对系统性能的影响。
结论
本次演示介绍了一种基于DSP的四旋翼飞行器姿态控制系统的硬件设计。该 设计包括传感器的选择、电路设计和PCB布局等关键环节。通过实验验证，该硬 件设计可以快速、准确地获取飞行器的姿态信息，
。本次演示将介绍四旋翼飞行器姿态控制系统的设计与实现。
一、系统构成
四旋翼飞行器的姿态控制系统主要由以下几个部分构成： 1、传感器：包括陀螺仪和加速度计，用于实时感知飞行器的姿态信息。
2、控制算法：通过算法对传感器感知的姿态信息进行处理，计算出控制指 令，实现对飞行器的控制。
四旋翼无人机控制系统设计与实现

四旋翼无人机控制系统设计与实现

四旋翼无人机控制系统设计与实现四旋翼无人机是一种结构简单、操作灵活的垂直起降无人机。

首先分析了四旋翼无人机的基本运动原理，然后以APM飞控计算机为核心，结合GPS定位芯片、陀螺仪、加速度计、航向计、无线数据电台等装置，进行了微型四旋翼无人机的系统集成。

分析了包括位置回路和姿态回路的双闭环控制结构的四旋翼无人机的控制逻辑与控制规律。

在进行传感器标定、参数整定等工作的基础上，对无人机进行了综合调试。

最终实现了无人机的稳定可靠飞行，具有良好的姿态控制、轨迹控制能力，各项性能指标符合设计要求。

标签：四旋翼无人机；PID控制；飞行控制；姿态控制；轨迹控制Abstract：The four-rotor unmanned aerial vehicle（UA V）is a kind of vertical take-off and landing UA V with simple structure and flexible operation. In this paper，the basic principle of motion of the four-rotor UA V is analyzed，then the APM flight control computer is used as the core，and the GPS positioning chip，gyroscope，accelerometer，heading meter，wireless data radio and other devices are combined. The system integration of micro quad-rotor unmanned aerial vehicle （UA V）is carried out. The control logic and control law of the four-rotor unmanned aerial vehicle （UA V）with double closed-loop control structure including position loop and attitude loop are analyzed. On the basis of sensor calibration and parameter tuning，the UA V is comprehensively debugged. Finally，the UA V can fly stably and reliably，and it has good attitude control and trajectory control ability，and all the performance indexes meet the requirements of design.Keywords：four rotor UA V；PID control；flight control；attitude control；trajectory control1 概述四旋翼無人机是一种非共轴、多旋翼式无人机，改变四个旋翼产生的升力大小就可以实现姿态稳定及飞行控制，其结构简单，体积较小，且飞行平稳、隐蔽性好，可用于救援搜索、侦查监控、探查航拍等任务，具有重要的研究价值和广阔的应用前景[1]。

四旋翼飞行器系统硬件平台设计与实现

四旋翼飞行器系统硬件平台设计与实现

四旋翼飞行器系统硬件平台设计与实现吉一纛;潘汛;郭玉坤;余瑶【摘要】为实现对四旋翼飞行器的应用和研究,根据现有项目对飞行控制系统的功能、设备接口、使用环境等要求,设计一套基于数字信号处理器的飞行器系统硬件平台.详细叙述硬件平台总体设计方案和具体硬件选型情况,重点介绍数字信号处理器、惯性测量单元、超声波传感器等主要器件的性能、通信接口、工作模式等.实际飞行测试结果表明,该硬件平台性能可靠、安全可行,满足研制要求.【期刊名称】《计算机工程与设计》【年(卷),期】2016(037)001【总页数】5页(P76-80)【关键词】四旋翼飞行器;硬件平台;数字信号处理器;惯性测量单元;超声波传感器【作者】吉一纛;潘汛;郭玉坤;余瑶【作者单位】北京科技大学自动化学院,北京100083;北京科技大学自动化学院,北京100083;北京科技大学自动化学院,北京100083;北京科技大学自动化学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TP391.8四旋翼飞行器结构简单、机动性强、制造成本低、易于小型化，能够实现垂直起降、自由悬停，能够适应多种工作环境、执行多种特殊任务[1-4]。

文献[5]采用两块ARM(advanced RISC machines)芯片作为控制系统的控制器来搭建四旋翼飞行器硬件平台，其中，气压计和GPS(global positioning system)模块测量的数据由ARM9处理，三轴陀螺仪和三轴加速度计的数据由ARM7处理，两块ARM芯片通过SPI(serial peripheral interface)接口通信；文献[6]设计的平台采用ARM芯片作为上层处理器获取传感器信息和运行控制算法，下层AVR单片机主要实现ARM嵌入式控制器的数字控制量到RC接收机PWM(pulse width modulation)信号的转换，该平台可实现滚转角、俯仰角、水平纵向和横向位置的4个自由度自主控制；文献[7]硬件平台的姿态控制系统主要考虑室内飞行的情况，以DSP作为主控制器，利用ADIS16335三轴惯性测量传感器获取姿态信息，超声波测距传感器测量飞行高度；文献[8]为实现稳定可靠的飞行，飞行器4个电机的转速控制均单独由一块Atmega8单片机实现，并选用Atmega16单片机作为采集陀螺仪信息、接收无线模块通信信号和控制Atmega8的主控芯片；文献[9]设计的四旋翼飞行器硬件在环仿真平台采用DSP作为底层电机控制芯片，工控计算机作为仿真控制器，并结合Flight Gear和Google Earth软件实时显示飞行器状态，该平台固定于立柱顶端的球关节，属于“半实物仿真”。