学校统一编号:HLJ-B-
学校名称：哈尔滨理工大学
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四旋翼自主飞行器
摘要
四旋翼的结构是一种比较简单和直观化的稳定控制性飞行器。通过调节4个电机转速改变旋翼转速，改变升力的变化调整飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器的动力来源是无刷直流电机，因此针对该类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。四旋翼的动力来源为无刷直流电机，采用单边pwm 的控制方式实现电机的调速，采用三段式启动方式实现电机的软启动。用超声波传感器测距是四旋翼飞行器定高，采用ov7620摄像头循迹使飞行器从A区到B区。通过对四旋翼工作模式与控制参数的研究，得到相应的控制算法，然后编程实现，模拟相应的飞行姿态，实验结果表示四旋翼实现自主飞行、自主悬停控制。
关键词：四旋翼飞行器；无刷直流电机；PWM
abstract
The structure of the four rotor is a relatively simple and intuitive stability controlling aircraft. By adjusting the four motor speed change the rotor speed, the change of lift change aircraft attitude and position. Four rotor aircraft power source is brushless dc motor, so for this class of brushless dc motor speed control system plays a decisive role on the performance of the aircraft. Four rotor power source for the brushless dc motor, motor speed control is realized by using unilateral PWM control mode, the three-step startup mode was adopted to realize motor soft start. Four rotor aircraft with ultrasonic sensor range is set high, use ov7620 camera tracking make aircraft from area A to area B. Through the study of four rotor working mode and the control parameters, get the corresponding control algorithm, and then simulate the flight attitude, programming the results said four rotor to realize autonomous flight, hovering control independently.
Key words: four rotor aircraft; Brushless dc motor; PWM
目录
四旋翼自主飞行器 (1)
摘要 (1)
一、设计任务 (3)
1.1 任务 (3)
1.2.1 基本要求 (4)
1.2.2 发挥部分 (4)
二、方案论证 (5)
1、控制器模块方案 (5)
三、理论分析与计算 (5)
1、系统硬件设计与实现 (5)
1.1陀螺仪和加速度传感器 (6)
1.2控制系统 (7)
1.3超声波传感器 (7)
1.4摄像头ov7620 (8)
2、软件系统设计 (9)
2、1PWM脉冲宽度调制 (9)
2、2数学PID控制算法 (10)
四、测试结果与误差分析 (11)
1、飞行测试 (11)
2、无刷电机测试 (11)
五、结论、心得体会 (12)
参考文献 (12)
附录： (13)
附录1 ：元器件明细表 (13)
附录2：仪器设备清单 (13)
附录3：程序清单 (13)
一、设计任务
1.1 任务
四旋翼自主飞行器（下简称飞行器）摆放在图1所示的A区，一键式启动飞行器起飞；飞向B区，在B区降落并停机；飞行时间不大于45s。飞行器摆放在B区，一键式启动飞行器起飞；飞向A区，在A区降落并停机；飞行时间不大于45s。飞行区域俯视图和立体图分别如图1和图2所示。
图 1-1 飞行器俯视图
图 1-2 飞行区立体图
1.2 设计相关要求
1.2.1 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，一键式启动飞行器起飞；飞向B区，在B区降落并停机；飞行时间不大于45s。
（2）飞行器摆放在B区，一键式启动飞行器起飞；飞向A区，在A区降落并停机；飞行时间不大于45s。
1.2.2 发挥部分
（1）飞行器摆放在A区，飞行器下面摆放一薄铁片，一键式启动，飞行器拾取薄铁片并起飞。
（2）飞行器携带薄铁片从示高线上方飞向B区，并在空中将薄铁片投放到B 区；飞行器从示高线上方返回A区，在A区降落并停机。
（3）以上往返飞行时间不大于30s。
（4）其他。
二、方案论证
1、控制器模块方案
方案一：采用通俗的51单片机，运用比较广泛，有良好的知识作为基础，上手很快。但是本系统的程序量较大，需要的I\O口资源较多，需要输出四路PWM波控制电调转动，51单片机难以胜任。
方案二：系统采用瑞萨公司所生产的R5F100LEA单片机为主控制芯片，单片机算数运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于功耗低，体积小、技术成熟和成本低等优点，使其运用灵活方便。
三、理论分析与计算
四旋翼微型飞行平台呈十字形交叉，由4 个独立电机驱动螺旋桨组成，如图1 所示。当飞行器工作时，平台中心对角的螺旋桨（如1 与3）转向相同，相邻的螺旋桨（如1 与2）转向相反。同时增加减小4 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的速度，可以产生滚动、俯仰等运动。
图1 四旋翼飞行器结构示意图
1、系统硬件设计与实现
四轴飞行器的机械结构需保证均匀性、对称性和稳定性。均匀性要求材料的质地要均匀，对称性要保证机械架构三维生的对称性，稳定性要求机械器件连接牢固并且在起飞和着陆时机架有抗击能力。机身支架的材料使用硬质塑料，身机为450
450 mm方形框架，旋翼直径10mm，厚度1.5mm。其硬件组成如图1所示, 主要包
