四旋翼无人机毕业设计

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 Unmanned Aerial Vehicle学 院（系）： 专 业： 学 号： 学 生 姓 名： 入 学 年 度： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 四 旋 翼 无 人 机 设 计 与 制 作- I -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；PID四 旋 翼 无 人 机 设 计 与 制 作- II -The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned Aerial VehicleAbstractQuad-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 . The Quad-rotor aircraft control system STM32f103zet microcontroller core, and the advantages and disadvantages based on the accelerometer sensor, a gyro sensor and electronic compass sensors using different correction methods for correcting various sensor data and low-pass digital filter processing, after design complementary filter to estimate the optimal posture, precise attitude measurement. Finally, GPS control and attitude control PID control is superimposed four-rotor aircraft four motors to achieve a variety of flight maneuvers to achieve the purpose. Four-rotor aircraft in the production process, a lot of debugging and do comparison with the existing excellent algorithm validation, the final design to stabilize the Quad-rotor UAV flying aircraft.Key Words：MEMS Sensor; Quaternion; STM32 Processor; Data Fusion; PID四 旋 翼 无 人 机 设 计 与 制 作- III -目 录摘 要 .IAbstract.II1 绪论 .11.1 研究背景及意义 .11.2 国内外四旋翼飞行器的研究现状 .11.2.1 国外四旋翼飞行器的研究现状 .11.2.2 国内四旋翼飞行器的研究现状 .31.3 本文研究内容和方法 .42 四旋翼飞行器工作原理 .52.1 四旋翼飞行器的飞行原理 .52.2 四旋翼飞行器系统结构 .53 四旋翼飞行器硬件系统设计 .73.1 微惯性组合系统传感器组成 .73.1.1 MEMS 陀螺仪传感器 .73.1.2 MEMS 加速度计传感器 .73.1.3 三轴数字罗盘传感器 .83.2 姿态测量系统传感器选型 .83.3 电源系统设计 .103.4 其它硬件模块 .103.4.1 无线通信模块 .103.4.2 电机和电机驱动模块 .113.4.3 机架和螺旋桨的选型 .123.4.4 遥控控制模块 .134 四旋翼飞行器姿态参考系统设计 .144.1 姿态参考系统原理 .144.2 传感器信号处理 .154.2.1 加速度传感器信号处理 .154.2.2 陀螺仪信号处理 .154.2.3 电子罗盘信号处理 .164.3 坐标系 .164.4 姿态角定义 .174.5 四元数姿态解算算法 .184.6 校准载体航向角 .265 四旋翼飞行器系统软件设计 .285.1 系统程序设计 .285.1.1 姿态参考系统软件设计 .285.1.2 PID 控制算法设计 .29结论 .31参 考 文 献 .32四 旋 翼 无 人 机 设 计 与 制 作11 绪论1.1 研究背景及意义 随着 MEMS 传感器、无刷电机、单片机以及锂电池技术的发展，四旋翼飞行器现在已经成为航模界的后起之秀。与固定翼飞行器相比之下四旋翼飞行器具有结构简单，控制起来非常方便，能够垂直起降，成本非常的低、稳定性也高，机动性非常强等特点。在民用可以代替有人机完成一些任务，在军事上有很强的战场生存能力。因此在这些领域应用广泛，如军事侦查、农林业调查、灾害检测、输电线巡查、玩具航模、航拍、气象探测等。四旋翼飞行器的飞行原理虽然简单，但是涉及到的知识面非常的广 1，从机体结构的设计、传感器滤波算法、控制系统的设计和软件的设计都需要理论的支持。本次设计针对四旋翼飞行器姿态控制系统进行更深入的研究，它的研究将推动中国四旋翼飞行器的研究发展，为四旋翼飞行器在环境保护、气象、火灾、侦查追踪等民用和军用领域实现产业化作出突出贡献。廉价并且高性能的飞行器的研究将会拥有巨大的经济效益，能够对我国的科研事业起到巨大的推动作用。1.2 国内外四旋翼飞行器的研究现状1.2.1 国外四旋翼飞行器的研究现状目前国外四旋翼飞行器的研究也是主要集中在飞行器姿态控制系统的新的理论的研究,比如：神经元网络控制算法、模糊自适应控制算法等。国外还在四旋翼飞行器的自主飞行以及多机协同运作等方面有很多研究。下面对一些四旋翼飞行器进行简单的介绍：首先非常具有代表性的是美国 Draganflyer 公司研发出来的 Draganflyer 系列四旋翼飞行器 2，如图 1.1 所示。这种四旋翼飞行器主要使用碳纤材料制作，因其载重能力强能携带高清摄像机，因此主要用途为航拍。另外还有 Parrot 公司研发的AR.Drone 飞行器也是非常具有代表性，如图 1.2 所示。 AR.Drone 可以用手机远程控制，使用 MEMS 高精度姿态传感器，并且配备多种传感器和摄像头，使 AR.Drone可以非常轻松地进行飞行任务 3。德国在四旋翼飞行器研究方面也具有较高的水平，德国的 MicroDrones 公司推出的一款四旋翼飞行器 MD4-2004，如图 1.3 所示。该型号飞行器采用全碳纤工艺制作，负载能力强，而且非常省电。该型号飞行器配备有 GPS 卫星导航系统和摄像四 旋 翼 无 人 机 设 计 与 制 作2设备，能够很轻松的在室内和室外执行航拍任务。图 1.1 DraganflyerX4 四旋翼飞行器 图 1.2 AR.Drone 飞行器现在许多科研院所已开始开展四旋翼飞行器相关科研项目，主要是针对四旋翼飞行器系统建模的研究和四旋翼飞行器飞行功能的实现。美国宾夕法尼亚大学GRASP 实验室设计出了一种能够编队飞行的四旋翼无人机飞行器，在这些飞行器上都安装有光源，通过安装在室内墙壁上的摄像头设备进行拍摄，从而确定飞行器的空间位置并且对其进行编队飞行控制操作，如图 1.4 所示。麻省理工学院设计的一款可以在室内进行地图测绘，定位和壁障的四旋翼无人飞行器系统，该系统通过激光雷达对周围环境进行测量，而且能够自动生成三维地图数据，并且根据周围的环境进行自主壁障和飞行路径规划，可以用于为危险环境的探测和搜救，如图 1.5 所示。图 1.3 德国 MD4-200 四旋翼飞行器 图 1.4 宾夕法尼亚大学四旋翼编队飞行四 旋 翼 无 人 机 设 计 与 制 作31.2.2 国内四旋翼飞行器的研究现状现今四旋翼飞行器的研究在国内逐渐发展壮大并且已经形成产业。目前国内己经有许多公司( 如 Dj 大疆公司)将四旋翼飞行器应用于商业化，如图 1.6 所示。图 1.5 麻省理工学院四旋翼飞行器 图 1.6 大疆四旋翼飞行器目前对四旋翼飞行器的研究主要集中在以下几个方面：(1)四旋翼飞行器的姿态控制。四旋翼飞行器研究的最主要技术难点在于对飞行姿态的控制。因其旋翼多，因此四旋翼飞行器比传统的直升机控制起来复杂。目前该领域的研究方向主要集中在飞行器的数学建模、控制算法和滤波算法。目前主要的研究算法有刚体旋转理论、非线性滤波法、四元数、捷联惯导算法、PID 控制算法、模糊自适应控制等。(2)适合于四旋翼飞行器的新的传感器技术的发展，国内外逐渐出现了通用的整合于一体的传感器模块，例如 MPU6050 传感器就是把加速度计和陀螺仪集成在一起。(3)电机和电池领域的发展。近些年来，无刷电机和空心杯电机的进一步普及和应用于四旋翼飞行器上，四旋翼飞行器的动力得到了很大程度的提高。锂电池和燃料电池的出现和应用大大增加了飞行器的续航能力。(4)GPS 的发展。随着卫星定位技术的发展壮大，GPS 也逐渐应用于旋翼飞行器，人们可以不用害怕飞行器故障之后会不会找不到，因为我们可以用 GPS 进行卫星定位，而且还可以设置航点，实现飞行器的自主飞行。(5)无线传输模块的发展。现如今无线传输可以应用的范围越来越广泛，蓝牙、WIFI 等无线传输方式越来越被普遍应用到飞行器上，从而实现手机的遥控控制。四 旋 翼 无 人 机 设 计 与 制 作41.3 本文研究内容和方法本文研究基于 MEMS 传感器的姿态参考系统，通过对姿态测量传感器数据的分析，设计出了有效去噪的滤波方法；通过大量的查找资料对姿态解算算法和数据融合算法有了更深的理解，最后应用于设计的飞行控制器上实现了姿态角的测量。最后通过大量的实验验证了它们的准确性，实验数据和曲线验证了该姿态参考系统能够稳定的工作，具有很好地工作性能。本文一共分为五章，主要内容安排如下：第一章绪论部分主要介绍了该项目的研究背景及意义、四旋翼飞行器在国内外的研究现状和发展趋势。第二章主要介绍了四旋翼飞行器的飞行原理和系统结构框架。第三章详细介绍了四旋翼无人机控制系统的硬件设计的工作。介绍了 MEMS 传感器的原理、特性和型号的选择和硬件电路图。飞行器控制芯片选择 STM32，外围电路包括有姿态测量系统、电源模块、无线通讯、串口通讯、电机驱动、遥控器控制电路、GPS 模块。 第四章说明了姿态参考系统的核心算法-捷联惯性导航算法的研究和实现过程。第五章针对软件实现部分进行了介绍，给出了编程的软件流程图和串级 PID 控制和定高控制方法。最后对本次设计进行了总结，提出了不足之处并对今后的研究工作进行了展望。四 旋 翼 无 人 机 设 计 与 制 作52 四旋翼飞行器工作原理2.1 四旋翼飞行器的飞行原理四旋翼飞行器有两种模式，也就是 X 字模式（如图 2.1 所示）和十字模式（如图 2.2 所示）。其实这两种模式差别不大，到 X 模式使用广泛，因此我们采用 X 字模式。四旋翼飞行器的四个电机对称分布在各个轴上，并且同一条轴线上电机的旋转方向要保证相同，相邻的电机旋转方向相反 5。如果电机 1、 3 按照逆时针方向旋转的话，电机 2 、4 就要按照顺时针方向旋转，这样做为了克服反扭矩的影响。我们要通过控制 4 个电机的转速来完成飞行器俯仰、横滚、偏航等动作。图 2.1 X 型四旋翼飞行器模型 图 2.2 十字型四旋翼飞行器模型2.2 四旋翼飞行器系统结构四旋翼无人机采用模块化设计，如图 2.3 所示。分别由控制模块、姿态测量系统、电源供电系统、无线通信模块、GPS 卫星定位系统、遥控器控制模块、电机驱动模块、串口通信模块、地面站系统。四旋翼飞行器控制器的核心任务是姿态的测量，它的作用是为飞行器控制系统提供实时、精确的飞行状态测量数据。常见的四旋翼飞行器人们大多是采用基于MEMS 传感器来测量飞行器姿态数据 6。但是这些初始的传感器数据并不能直接应用于姿态解算，需要对传感器数据进行滤波处理，并且需要对陀螺仪漂移问题进行1234xy1234xy四 旋 翼 无 人 机 设 计 与 制 作6实时的数据补偿，这