基于单片机的微型四旋翼飞行器毕业设计论文.docx

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基于单片机的微型四旋翼飞行器毕业设计论文

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[摘要]本文对微型四旋翼飞行器自平衡算法进行研究，详细分析了应用互补滤波器，进行信号处理的思路和参数整定过程，应用滤波后的数据，进行飞行器姿态角度融合，解算出飞行器实时的俯仰角、翻滚角、偏航角。

在解算出飞行姿态角度的基础上应用PID算法控制四旋翼飞行器进行自平衡悬停及相关的运动姿态控制。

硬件上，采用STM32F103作为微控制器，以MPU6050作为四旋翼飞行器姿态传感器件，通过AO3402MOS管驱动四个空心杯电机改变飞行器姿态，设计结果是能准确测量飞行器姿态并将测量角度输出给相应坐标的电机，进行姿态调整。

本文将从硬件、软件初始化、控制算法及调试等几个篇幅详细展示整个微型四旋翼飞行器的制作过程。

[关键词]微型四旋翼飞行器；互补滤波算法；PD控制算法；STM32F103;自平衡

Keywords:

Microfourrotoraircraft;Complementaryfilter;PDcontrolalgorithm;STM32F103;

Self-balancing

目录

1绪论1

1.1本课题的研究意义及必要性1

1.2相关领域国内外研究现状及发展趋势1

1.3论文篇幅简介3

2四旋翼飞行器系统分析4

2.1系统基本原理4

2.2系统功能要求5

2.3系统可行性分析5

3四旋翼飞行器总体设计7

3.1功能模块划分7

3.2系统模块设计图7

3.3系统流程图8

3.4开发工具和开发框架介绍8

3.4.1AltiumDesigner6.9介绍8

3.4.2KeilforARM介绍9

3.4.3Serial_Digital_ScopeV2介绍9

4四旋翼飞行器详细方案设计10

4.1硬件模块的功能及设计10

4.1.1最小系统板STM32F103模块10

4.1.2低压差电源模块11

4.1.3倾角传感器模块11

4.1.4空心杯电机驱动模块12

4.1.5NRF24L01无线模块12

4.2驱动程序功能及设计13

4.2.1最小系统板初始化13

4.2.2MPU6050初始化13

4.2.3NRF24L01初始化13

4.2.4空心杯电机驱动初始化14

5四旋翼飞行器控制算法实现16

5.1角度及角速度数据处理算法16

5.1.1互补滤波器可行性分析16

5.1.2互补滤波器算法软件实现17

5.2姿态控制算法17

5.2.1PID控制算法可行性分析17

5.2.2PID控制算法软件实现18

5.2.3多维度控制量输出融合算法19

6四旋翼飞行器综合调试20

6.1基本功能实现20

6.1.1姿态角度数据采集功能20

6.1.2四旋翼飞行器遥控功能21

6.1.3电机多维度矢量输出功能21

6.2高级功能实现22

6.2.1姿态角度数据融合功能22

6.2.2四旋翼飞行器自平衡飞行功能23

结束语24

致谢25

参考文献26

附录A部分代码27

1绪论

1.1本课题的研究意义及必要性

信息时代，微电子技术及惯性传感器件的不断进步，使自平衡算法实现成为可能。

从地上跑的自平衡机器人到天上飞的无人飞行器都离不开这些微电子技术及惯性传感器。

这些“飞禽走兽”在危险领域的作业的突出表现，备受各国专家学者的关注。

从军用到民用，四旋翼飞行器由于其机械结构简单，制造成本低及简易的控制算法测试平台搭建，从而掀起了各个国家四旋翼飞行器爱好者的研究狂潮。

国防军工事业离不开无人飞行器，四旋翼飞行器的优异性能使它在侦查、监视、跟踪等任务中独领风骚；现代农业，各式各样的四旋翼农药喷洒飞行器呼啸于各大农场的上空；四旋翼飞行器的研究，不仅具有学术研究意义，还有可观的经济现实意义，是学以致用的重要实践过程。

1.2相关领域国内外研究现状及发展趋势

四旋翼飞行器广泛的应用范围和超高的实用价值促成了其在短时间成为热点，各国在四旋翼飞行器研究方面各有所长，以下是目前世界上比较出名的四旋翼飞行器研究成果：

（1）RC玩具公司Draganflyer飞行器

Draganflyer是玩具商业产品，系统集成了微控制器、无线遥控、三维度倾角传感器及角速度传感器，机身结构由轻质碳纤维及高密度尼龙搭建而成，DraganflyerX4-C是RC公司目前在卖的产品，售价2995美元，该产品长和宽都是47cm，最高工作直径为71cm，高度为25cm，可携带不超过320g的重物，该产品主要应用于航拍，底部加

装高清摄像头，如图1.1所示：

（2）Stanford的STARMAC测试平台

斯坦福大学在Drangonflyer平台上，重新设计控制系统，四轴飞行器上有：

微型控制芯片，倾角测量单元，蓝牙通讯单元，GPS定位模块，超声测距模块。

STARMAC能实现与上位机的通讯及相应的姿态预测、调整。

该飞行器多次应用卡尔曼滤波器对采集信号进行滤波，采集的信号有倾角传感器的测量值、超声波测距模块的高度值及GPS模块的定位数据。

应用卡尔曼滤波器能将飞行器真实的飞行姿态进行还原，从而提高系统的稳定性。

Stanford的STAMAC平台如图1.2所示：

（3）宾夕法尼亚大学大学的四轴飞行器

传遍全世界的TED视频，来自宾夕法尼亚大学的四轴飞行器依靠室内摄像头识别飞行器上标记球，完成各种飞行动作。

经典的表演令人连连称赞，倒立摆模型及水杯支撑飞行，其稳定性都给人留下了深刻的印象。

相关视频可以在优酷上的TED公开课视频中找到，此处给出飞行器图片，如图1.3所示：

（4）开源的四旋翼飞行器

乐在开源，互联网上有一些设计者将飞行器项目共享在互联网上，吸引了大量的研究人员投入到开源的圈子里，在这样的资源共享世界里，四旋翼飞行器得到了极大的发展，由于论文篇幅有限，在此只列举几个较出名的开源四轴飞行器项目，它们分别有：

KK四旋翼飞行器，德国的MK四轴飞行器，MWC四轴飞行器等。

四旋翼在未来，将变得更加的智能化，随着各种传感器的不断发展，四旋翼飞行器稳定性必将得到极大的提升，负重能力及续航能力都将大幅度提高。

在未来，四旋翼飞行器将大量应用于国防、工业、农业等领域。

智能时代，离不开这些智能化的产品。

1.3论文篇幅简介

本文共分为七部分，各个部分的内容简介如下：

第一部分：

绪论

本部分主要阐述四旋翼飞行器课题的研究意义和必要性并追溯其发展渊源，同时还介绍四旋翼飞行器的应用现状和发展趋势。

第二部分：

四旋翼飞行器系统分析

本部分对系统运动的基本原理进行分析并提出系统的功能要求，最后针对核心控制算法的可行性进行分析。

第三部分：

四旋翼飞行器总体方案设计

对四旋翼的功能模块进行划分并给出系统模块设计图及系统工作流程图，最后简单介绍本系统开发调试的平台工具。

第四部分：

四旋翼飞行器详细方案设计

本部分从硬件和软件两部分分别阐述系统的详细设计方案。

硬件方面有最小系统板、电源模块、倾角传感器、电机驱动、无线模块设计方案；软件方面有对应硬件模块的初始化。

第五部分：

四旋翼飞行器控制算法实现

本部分提出应用互补滤波器来处理角度、角速度数据的想法并分析互补滤波器在本模型中的可行性，最后附上互补滤波器的软件实现思路；运算出倾角后，提出应用PID来控制飞行器姿态的观点并分析可行性。

最后给出多维度矢量输出的实现算法。

第六部分：

四旋翼飞行器综合调试

该部分将展示四旋翼飞行器的基本功能实现和高级功能实现的效果。

基本功能包括四旋翼飞行姿态角度信号结果，四旋翼飞行器无线遥控调试结果，电机多维度矢量输出调试结果；高级功能包括：

姿态角度数据融合功能和飞行器自平衡功能实现结果。

第七部分：

结束语

总结本次设计中的不足，提出相关的改进方案，总结本次毕业设计的收获，为后来人的研究提供些有用的建议。

完成毕业设计后，对今后的工作、研究提出指导性展望。

最后对本次毕业设计给予笔者帮助的所有人员致谢。

2四旋翼飞行器系统分析

2.1系统基本原理

作为无人飞行器研究的一重要分支，四旋翼飞行器因其简单的机械结构而备受瞩目，相对于庞大的无人机，四旋翼飞行器完美的机械结构更符合力学的各种定律。

也不像直升飞机那样，需要设计一个消除反作用旋转扭矩的桨叶。

如图2.1所示，四旋翼飞行器消除反作用旋转扭矩的功能与生俱来。

从图4可以看到，1、3号桨叶的逆时针旋转，反向扭矩的方向是顺时针方向，同理2、4号电机顺时针旋转，反力矩方向为逆时针，对角两组电机在旋转扭矩相等的情况下正好相互抵消。

如此巧妙的机械结构在控制算法和节省能量方面大有裨益。

系统无需提供额外的功率去抵消反作用旋转扭矩。

四旋翼飞行器可以实现多维度的运动姿态控制，最基本的姿态是自平衡悬停。

悬停的稳定性是完成所有动作的基础。

四旋翼的运动姿态可分为：

悬停、上升、下降、俯仰、翻滚、偏航六个运动状态。

当四旋翼飞行器的四个电机输出的合升力大于其本身所受重力时，在无外力作用下，四旋翼能一直保持上升飞行，反之则下降。

升力等于重力，四旋翼在悬停状态。

这是Z轴方向的三个运动形态。

当四旋翼飞行器的X轴方向的两个电机输出升力存在偏差，飞行器处在俯仰飞行姿态，这是常用的沿X轴行进的思路，其倾斜角与水平X轴的夹角叫做俯仰角。

当四旋翼飞行器的Y轴方向的两个电机输出升力存在偏差，飞行器处在翻滚飞行姿态，这个常用的沿Y轴行进的思路，其倾斜角与水平Y轴的夹角叫做翻滚角。

当四旋翼飞行器沿Z轴旋转时，其转过的角度称之为偏航角，该姿态依靠对角两组电机的反作用旋转扭矩失衡来实现偏航运动。

以上几种运动原理如图2.2所示：

2.2系统功能要求

基于互联网的开源资料，提出本系统的功能要求：

系统分为基础功能和高级功能，基础功能包括：

四旋翼飞行器姿态角度数据采集功能；四旋翼飞行遥控功能；四旋翼电机对维度矢量输出功能；高级功能包括：

应用互补滤波器进行姿态角度融合功能；四旋翼飞行器自平衡飞行功能。

2.3系统可行性分析

微电子技术及倾角传感技术的发展及高性能电机为四旋翼飞行器的搭建提供了硬件保证。

在此基础上，仅需要对系统模型的控制模型进行分析即可得知系统设计是否可行。

找到相应的数学模型，才能分析系统的可行性，站在巨人的肩膀上，建立了如下数学模型，如图4所示的机体坐标系A（oxyz）及空间惯性坐标系OXYZ，针对数学模型提出以下假设：

（1）四旋翼飞行器是一个刚体，质地均匀且完全对称

（2）质心与机体坐标原点重合

（3）四轴飞行器桨叶不发生形变

（4）四旋翼在各个维度的运动速度与四轴电机的输出呈线性关系

在此假设条件下，根据牛顿第二定律，四旋翼模型可以看成是转子旋转而产生空气动力的模型，其动力方程式如下：

方程式内，表示四旋翼飞行器惯性坐标原点到质心的长度；m指四旋翼的质量。

建立三阶转动惯量矩阵及旋转角速度矩阵，经整理可得飞行器的动力模型方程：

桨叶可用以下状态方程描述，经转换后推出模型方程。

能找到四旋翼飞行器的数学模型说明该系统是可以用控制理论创造控制算法来控制飞行器的姿态，由此可以知道，该四旋翼飞行器的控制在理论上还有硬件设计上都是可行的。

详细模型推导过程，见参考文献[2]。

3四旋翼飞行器总体设计

3.1功能模块划分

系统可以划分成硬件和软件两大部分。

硬件包含搭载微控制器的最小系统板单元，低压差电源稳压模块，倾角传感器模块，高速空心杯电机驱动模块和NRF20L01无线遥控模块。

软件部分包括最小系统的驱动，各个外围模块的驱动程序，互补滤波器的软件实现，角度矢量融合及四旋翼飞行器的自平衡输出算法。

笔者在本次设计中