四轴飞行器毕业论文设计.doc

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目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章绪论 1

1.1前言 1

1.2本课题研究意义 1

1.3国内外研究成果 2

1.4本课题主要研究内容 2

1.4.1研究主要内容 2

1.4.2研究方案 3

1.5系统设计框图 3

第2章四轴飞行器硬件组成 5

2.1DIY四轴飞行器介绍 5

2.1.1四轴飞行器 5

2.1.2DIY操作 5

2.2部分器件的作用介绍 6

2.2.1无刷直流电机 6

2.2.2电子调速器 6

第3章姿态传感器介绍 7

3.1三轴加速度计 7

3.1.1传感器原理 7

3.1.2ADXL345 8

3.2三轴陀螺仪 9

3.2.1概述 9

3.2.2传感器原理 9

3.2.3ITG-3200 10

3.3三轴磁场传感器 10

3.3.1传感器原理 11

3.4本章小结 11

第4章飞行器模型分析 13

4.1概述 13

4.1.1飞行器飞行原理 13

4.1.2四轴飞行器模型建立办法 13

4.2力或力矩与螺旋桨的关系 14

4.2.1升力和扭矩关系 14

4.2.2阻力和侧向力矩的关系 15

4.2.3的建立 16

第5章算法设计 19

5.1悬停控制算法设计 19

5.1.1悬停算法分析 19

5.1.2PID算法选择分析 20

5.1.3PID三个参数的大小对于响应波形的影响 21

5.1.4模糊控制规则的建立 21

5.1.5模糊控制表的建立 22

5.1.6小结 22

5.2运动算法设计 22

5.2.1运动时和悬停时的差别 22

5.2.2Z轴旋转解决办法设计 23

5.2.3固定倾斜解决办法 23

5.2.4控制算法小结 24

5.3九轴数据的融合算法 24

5.3.1关于数据融合必要性的分析 24

5.3.2加速度计与陀螺仪的数据融合 25

第6章程序设计 27

6.1程序设计思想 27

6.1.1程序方案 27

6.2串口接收数据并重装 27

6.2.1概述 27

6.2.2程序设计 27

6.3PID算法程序 28

6.4电调PWM信号 28

总结 30

论文小结 31

致谢 32

参考文献 33

附录一：

34

附录二：

41

摘要

今年来航模界的目光已经从固定轴飞行器转移到了多旋翼飞行器的设计上。

多旋翼飞行器和喷气式飞机几乎在同一时间诞生，但在过去的百年中极少有目光投向它的原因就是因为它的控制、操作非常复杂，因为其方向的偏转等操作都依靠不同电机不同转速配合形成，高度的非线性和其系统极差的鲁棒性注定了在它诞生之初就无人问津。

直到高精度的三轴加速度计和陀螺仪的出现，以及继而为之引入的卡尔曼滤波原理让多旋翼的姿态实时监测成为可能，有了姿态精确监测又配合采用各种控制算法以及高效能的微处理器，多旋翼的控制才成为了可能。

又由于它本身兼有可以灵活应对各种复杂飞行环境的特点（其它飞行器只能望其项背），迅速成为飞行器的焦点。

本文主要介绍利用MSP430G2553单片机的LaunchPad和由AVR为主控芯片的9轴姿态结算传感器搭建的四旋翼的飞控设计。

从其模型建立、传感器数据处理、算法设计和软件实现四个方面的研究制作可定目标的四轴飞行器。

关键词：

MSP430，卡尔曼滤波，姿态结算，控制算法

ABSTRACT

Thisyeartheattentionhasshiftedfromthemodelaircraftindustrytoafixedshaftmulti-rotoraircraftdesign.Multi-rotoraircraftandjetsbornalmostatthesametime,Butinthepastfewhundredyearshasitssightsreasonisbecauseofitscontrol,Operationisverycomplex,Becauseofitsdirectionofdeflectionandotheroperationsdependontheformationofdifferentmotorswithdifferentspeed,Highlynonlinearsystemsanditspoorrobustnessdoomedatthebeginningitwasbornnobodycares.

Untilprecisiontriaxialaccelerometersandgyroscopesappeared,AndKalmanfilteringprinciplewhomsubsequentlyintroducedallowsreal-timemonitoringofmulti-rotorattitudepossible,Withattitudetoaccuratelymonitorandcoordinatetheuseofvariouscontrolalgorithmsandhigh-performancemicroprocessors,Multi-rotorcontrolbecamepossible.Also,becauseitisitselfthecharacteristicsofbothcanrespondflexiblytoavarietyofcomplexflightenvironment（Otheraircraftcanholdacandle）.Quicklybecamethepointofintersectionoftheaircraft.

ThispaperdescribestheuseMSP430G2553MCULaunchPadand9-axisattitudesensorsettlementbytheAVRforthemasterchiptobuildafour-rotorflightcontroldesign.Itsmodel,sensordataprocessing,algorithmdesign,andsoftwarerealizationofthefouraspectsoftheresearchcouldbesetgoalofmakingfour-axisaircraft. 

KEYWORDS:

MSP430,Kalmanfiltering,attitudebilling,controlalgorithm

第1章绪论

1.1前言

四轴飞行器最开始是由军方研发的一种新式飞行器。

随着MEMS传感器、单片机、电机和电池技术的发展和普及，四轴飞行器成为航模界的新锐力量。

到今天，四轴飞行器已经应用到各个领域，如军事打击、公安追捕、灾害搜救、农林业调查、输电线巡查、广告宣传航拍、航模玩具等，已经成为重要的遥感平台。

以农业调查为例，传统的调查方式为到现场抽样调查或用航空航天遥感。

抽样的方式工作量大，而且准确性受主观因素影响；而遥感的方式可以大范围同时调查，时效性和准确性都有保证，但只能得到大型作物的宏观的指标，而且成本很高。

不连续的地块、小种作物等很难用上遥感调查。

因此，低空低成本遥感技术显得相当重要，而四轴飞行器正符合低空低成本遥感平台的要求。

目前应用广泛的飞行器有：

固定翼飞行器和单轴的直升机。

与固定翼飞行器相比，四轴飞行器机动性好，动作灵活，可以垂直起飞降落和悬停，缺点是续航时间短得多、飞行速度不快；而与单轴直升机比，四轴飞行器的机械简单，无需尾桨抵消反力矩，成本低。

本文就小型电动四轴飞行器，介绍四轴飞行器控制设计原理和方案，重点讲解MEMS惯性传感器的数据处理，以及四轴飞行器算法设计等。

1.2本课题研究意义

四轴飞行器除了能做到和直升飞机一样垂直起降外，因其由四个螺旋桨控制，所以还能实现6个自由度的不同姿态飞行。

相比较而言，四轴飞行器更加灵活，可以实现在复杂环境下稳定飞行。

研究它并实现控制可以让其帮助实现禁飞区巡逻等军事任务，同时也可以用于搜救、安全任务检查等工作。

现如今，在许多危险场所，以至于工作人员不能进入进行设备状态检查，例如大型化工锅炉、高压输电塔、水坝等。

为了满足需要，使用无人机进入此类地区航拍、成图、预处理报警成为必然。

四轴飞行器以其完备的性能和成本，成为完成此类任务的不二之选。

因此研究它的价值显而易见。

1.3国内外研究成果

四轴飞行器始诞于1907年的法国，它诞生之初功能及其有限，而且控制复杂，起飞难度大，所以在曾经鲜为人知。

随着嵌入式系统的发展以及传感器技术的应用，四轴飞行器开始走向小型化，智能化的过程。

2003年美国率先开始微型无人机的研究，四旋翼逐渐进入人们的视线。

众人皆知，四旋翼的机械结构简单但由于只有四个输出控制六个自由度，属于典型的“欠驱动”系统，并且具有强耦合、非线性、干扰敏感等，控制难度大。

20世纪90年代，MEMS惯性导航系统的诞生以及相关算法的研究，四旋翼迎来了春天。

高性能的微处理器再加上MEMS和对应控制算法解决了四旋翼的控制难题。

在那之后至今，国内外对于四旋翼的研究就趋于成熟，人们已经用它办到了很多事，例如航拍、勘测、送传递。

但是比较四旋翼和固定翼的性能，不难发现，四旋翼非线性度高，抗干扰能力弱。

而最致命的在于四旋翼的载重问题和续航问题一直无法解决。

而从目前看来，解决的办法已经不是四旋翼本身，而是研究出带电量大，体积小，重量轻的电池提供能源。

1.4本课题主要研究内容

1.4.1研究主要内容

主要研究包括三部分：

四旋翼的动力学模型建立和分析、传感器的数据处理以及控制算法的研究。

四旋翼机械模型主要是十字型机架和螺旋桨构成。

在研究中，借助空气动力学知识等分析建立转速和升力、扭矩、阻力（斜流状态）等的直接关系，分析出了受力后再结合姿态分析得到，在各个姿态下的转速结构以及姿态转换的转速变化办法等。

在此基础上，再根据直流无刷电机的模型以及电调的分析获得在一般状态（螺旋桨旋转只受空气影响的状态）下PWM波形和转速的关系，也就是建立了占空比和各个受力的直接对应关系。

这只是一个基础模型，在一般状态下提供在控制算法中的给定值设定的参考，也是飞行器在一般飞行条件下对于姿态变化要求的占空比改变值的基础。

获得了相关信息后，除了飞行器高度控制用超声波传感器测量获得外，还必须对于飞行器的目前姿态做测量组成闭环系统，而姿态测量的传感器选择使用陀螺仪，它以在不同倾斜状态下对于四壁压力的不同感知姿态信息，但是由于在飞行器上，有抖动，变化速度快，其输出波形干扰严重，目前大多采用卡尔曼滤波的软件滤波办法滤波。

除此之外，研究内容中还包括对于飞行器控制算法的选择，拟定采用双PID控制和神经元算法两种。

1.4.2研究方案

四旋翼的动力结果主要由电子调速器、直流无刷电机和螺旋桨构成。

模型分析主要涉及空气动力学、无刷电机模型和电子调速器硬件电路。

实施方案：

利用空气动力学建立螺旋桨转速和拉升力之间的关系，在利用无刷电机模型和螺旋桨建立输出波形和转速的关系并最终得出PWM波和拉升力的直接对应关系。

陀