基于单片机的四轴飞行器毕业设计(论文).doc
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吉林建筑大学学士学位论文
毕业论文
基于单片机的四轴飞行器
夏纯
吉林建筑大学
2015年6月
毕业论文
基于单片机的四轴飞行器
学生：
夏纯
指导教师：
许亮
专业：
电子信息工程
所在单位：
电气与电子信息工程学院
答辩日期：
2015年6月
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章绪论 1
1.1论文研究背景及意义 1
1.2国内外的发展情况 2
1.3本文主要研究内容 4
第2章总体方案设计 5
2.1总体设计原理 5
2.2总体设计方案 5
2.2.1系统硬件电路设计方案 5
2.2.2各部分功能作用 6
2.2.3系统软件设计方案 7
第3章系统硬件电路设计 8
3.1AltiumDesignerSummer09简介 8
3.2总体电路设计 8
3.2.1遥控器总体电路设计 8
3.2.2飞行器总体电路设计 10
3.3各部分电路设计 10
3.3.1电源电路设计 10
3.3.2主控单元电路设计 12
3.3.3无线通信模块电路设计 13
3.3.4惯性测量单元电路设计 16
3.3.5电机驱动电路设计 18
3.3.6串口调试电路设计 19
3.4PCB设计 21
3.4.1PCB设计技巧规则 21
3.4.2PCB设计步骤 22
3.4.3PCB外形设计 23
3.5实物介绍 25
第4章系统软件设计 27
4.1KeilMDK5.12简介 27
4.1.1KeilMDK概述 27
4.1.1KeilMDK功能特点 27
4.2软件设计框图 28
4.3软件调试仿真 29
4.4飞控软件设计 30
4.4.1MPU6050数据读取 30
4.4.2姿态计算IMU 32
4.4.3PID电机控制 32
结论 36
致谢 38
参考文献 39
附录1遥控器主程序源代码 40
附录2飞行器主程序源代码 45
附录3遥控器原理图 50
附录4飞行器原理图 51
摘要
四轴飞行器具备VTOL（VerticalTake-OffandLanding，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。
本设计主要包括遥控器和飞行器两大部分，其中央处理器CPU均采用基于32位ARMCorex-M3内核的NXPLPC1549，时钟频率为72MHz；飞行器与遥控器之间的无线通信采用2.4GHz通信频段的NRF24L01模块，NRF24L01模块与MCU之间通过SPI协议以1MHz的通信速率通信；飞行器端搭载有3轴加速度计与三轴陀螺仪融合一体的MPU6050惯性测量单元作为姿态欧拉角测量单元，MPU6050与飞行器MCU之间通过I2C协议以400Hz的频率进行通信；飞行器端MCU通过接收无线数据以及采集MPU6050数据通过四元数互补滤波计算出的欧拉角，再进行电机PID自动控制，最终以20KHz的PWM通过MOS管来驱动空心杯820直流有刷电机，得以实现遥控四轴飞行器的设计。
关键词四轴飞行器；PID自动控制；MPU6050；PWM
49
ABSTRACT
Four-axisaircraftequippedwithVTOL（VerticalTake-OffandLanding,verticaltakeoffandlanding）aircraftwithalltheadvantages,andUAV'slowcoststrong,repeatable,andlowaccidentcosts,hasbroadapplicationprospects.Canbeusedinmilitarybattlefieldreconnaissanceandsurveillance,accessisnoteasytogetinformation.Abletoperformspecialtaskssuchaspatrollingthenoflyzoneandcloseairsupport,couldcopewithmodernelectronicwarfare,communicationsrelayofmodernwarfare.Incivilusecanbeusedforpost-disasterrescue,trafficpatrolandtracking,andmanyotheraspectsofthecity.Canbeusedinasafetyinspectionontheindustrial,large-scalechemicalsites,high-voltagepowerlines,dams,bridgesandartificialmountainaftertheearthquakearenoteasytoreachspace.
Thisdesignincludestworemotecontrolsandaircraftparts,centralprocessingunitCPUusingof32ARMNXPCorex-M3kernelLPC1549,clockfrequencyis72MHz;Wirelesscommunication2.4GcommunicationwiththeremotecontrolofaircraftbandNRF24L01moduleNRF24L01modulebetweentheMCUand1MHzcommunicationspeedthroughtheSPIprotocolcommunications;Aircraftendcarryinga3-axisaccelerometerandintegratingthree-axisgyroMPU6050inertialmeasurementunitasagestureofEuleranglemeasurementunit,MPU6050 aircraft between the MCUcommunicates through the I2C Protocol with400Hz frequency;Aircraftend-MCUbyreceivingwirelessdataMPU6050datacollectedbyQuaternioncomplementaryfilterscalculatetheEulerangles.PIDmotorcontrol,ultimately20KHzPWMdrivethroughtheMOStubehollowglass820DCbrushmotor,remotecontroldesignoffouraxisaircraft.
KeywordsQuadrocopter；PIDAutocontrol；MPU6050；PWM
第1章绪论
1.1论文研究背景及意义
图1-1典型四轴飞行器
四轴飞行器是一种具有4个对称旋翼的直升机（如图1-1），具有垂直起降、结构简单、操纵方便及机动灵活等优点，在飞行器上挂载摄像头等模块能够实现许多实用功能。
在实际应用方面，以四轴飞行器为代表的小型无人机在执行军事任务时具有很大的优势。
它们能够在士兵的操控下进行战场上近距离、小范围、复杂地形环境的敌情侦察，还可以用作通信联系工具或者指示目标机，甚至还能装上弹药直接执行战略攻击任务。
在民用与工业领域，四轴飞行器也具有广泛的应用前景。
通过携带特定的功能检测模块，四轴飞行器可以感知危险区域的有毒物质浓度或核辐射强度等。
微型四轴无人飞行器可以自主完成上述任务，不仅节约成本，而且大大简化了人力劳动，也在人类无法到达的危险、危害环境可以完全代替人类工作。
近年来，很多学者和研究机构通过对四轴飞行器进行动力学和运动学分析，建立了系统的数学模型，提出了各种控制算法，并设计了飞行控制系统进行验证；加上传感器技术和控制理论的不断发展，尤其是微电子和微机械技术的逐步成熟，使四轴飞行器的飞行控制成为了一个具有广阔前景的研究课题。
1.2国内外的发展情况
早在二战时，载人四轴的原型机已经被设计出来，但因为控制技术还跟不上，飞行器因不稳定而无法投入实际应用。
那时欠缺的技术主要是惯性测量和控制器的缺陷，那时候的惯性导航系统一般是十几公斤的大铁疙瘩。
为了把这么重的东西放到一个多旋翼飞行器上，飞行器的载荷必须很大，可是人们发现，不管是用油机还是电机做多旋翼飞行器的动力系统，都很难得到足够的载荷。
同时，因为固定翼和直升机已经很够实际使用了，所以没有人愿意多花功夫去研究多旋翼飞行器这个棘手的问题。
很长一段时间里，只有美国一些研发性的项目做出了多旋翼飞行器的样机。
20世纪90年代之后，随着微机电系统（MEMS）研究的成熟，几克重的MEMS惯性导航系统被制作了出来，使得多旋翼飞行器的自动控制器可以制作了。
但是MEMS传感器数据噪音很大，不能直接读出来用，于是人们又花了一些年的时间研究MEMS去噪声的各种数学算法。
这些算法以及自动控制器本身通常需要速度比较快的单片机来运行，于是人们又等了一些年时间，等速度比较快的单片机诞生。
接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行器的非线性系统结构，给它建模、设计控制算法、实现控制算法。
因此，直到2005年左右，真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。
之前一直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器系统突然出现在人们视野中，大家惊奇地发现居然有这样一种小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单的飞行器存在。
一时间研究者趋之若鹜，纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。
四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最简单最流行的一种。
如上所述，最初的一段时间主要是学术研究人员研究四旋翼。
四旋翼飞行器最早出现在公众视野可能要追溯到2009年的著名印度电影《三傻大闹宝莱坞》，到了2010年，法国Parrot公司发布了世界上首款流行的四旋翼飞行器AR.Drone。
作为一个高科技玩具，它的性能非常优秀：
轻便、灵活、安全、控制简单，还能通过传感器悬停，用WIFI传送相机图像到手机上。
AR.Drone的流行让四旋翼飞行器开始广泛进入人类社会。
在玩具这个尺寸上，多旋翼飞行器的优势就显示出来了，同尺寸的固定翼基本飞不起来，而同尺寸的直升机因为机械结构复杂，根本没法低成本地制作出稳定的产品。
2012年2月，宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授在TED上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲。
这一场充满数学公式的演讲居然大受欢迎，迄今已经有三百多万次观看，是TED成百上千个演讲中浏
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