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1、基于单片机的四轴飞行器设计及仿真大学论文摘 要四轴飞行器具备飞行器的所有优点，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查和监视，获取不易获取的情报。能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捡，大型化工现场等人工不容易达到的空间作业。因此，四轴飞行器的研究意义重大。本文主要讨论四轴飞行器的设计实现、建模分析与控制器设计。首先从历史的角度介绍小型四轴飞行器的发展现状，引入现代四轴飞行器的研究，以及运用现代控制理

2、论进行的研究方法和取得的结果。其次是给出本次毕业设计的四轴飞行器样机模型与飞行控制器电路设计。文中着重从机械结构与飞行控制器硬件电路设计方面论述四轴飞行器的设计。文中详细分析了机械结构设计中的元器件选型，实现了一个切实可用，能满足应用研究的四轴飞行器模型。之后分析四轴飞行器的飞行控制原理，在此基础上进行动力学分析，建立四轴飞行器的动力学模型。通过软件设计实现飞行控制器方案，并通过protues软件践行模拟仿真以讨论其可行性。关键词：四轴飞行器；单片机；飞行控制器；无人机ABSTRACTThe Keywords: Four aircraft; SCM; Flight controller; UA

3、V1. 绪论11.1 国内外研究现状.11.2 本文研究目的及意义.21.3 本文的主要内容.32. 机械结构设计42.1 元器件的选择.42.1.1 四轴飞行器基本工作原理.42.1.2 旋翼和机架的确定.52.1.3 其他小部件的选择.52.2 电机.62.3 总体结构.73. 硬件设计103.1 概述.113.2 硬件电路的设计与选型.113.2.1 飞行控制系统结构.113.2.2 单片机选型及介绍.123.2.3 电机驱动电路.143.2.4 无线通讯与遥控.173.2.5 电源电路设计.183.3 硬件部分整体电路图.194. 软件设计及调试分析204.1 PWM调速原理分析.20

4、4.2 调速部分设计及分析.224.3 红外遥控系统的程序设计.264.3.1 红外发射部分.264.3.2 红外接收部分.284.3.3 键盘设计.315. 调试分析.335.1 Protues简介.335.2调试结果分析.37结束语.38致 谢.39参考文献.40附录A：外文原文.41附录B：中文翻译.51附录C：程序源代码.551 绪 论1.1 国内外研究现状四轴飞行器是无人飞行器的一种，也就是智能机器人，四轴指飞行器的动力是由四个旋翼式的飞行引擎提供。人们对于四轴飞行器的研究从军用到民用、商用领域都有涉及。近几十年来，随着现代控制理论与电子控制技术的发展，运用现代控制技术，使用电机代替

5、油动力引擎进行飞行器控制研究。四轴飞行器不需要专门的反扭矩桨，可以通过反扭矩作用使飞行器扭矩平衡。四轴飞行器的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。它为为小型无人机的研究和设计创造了新的条件，提供了新的思路。当今国内外针对四轴飞行器的研究都处于快速发展的阶段。随着纳米科技与制造业的迅猛发展以及MEMS的蓬勃兴起，四轴飞行器的发展必定会朝着越来越实用化的道路进行。现在看来，四轴飞行器的研究还存在着许多亟待解决的技术难点问题，甚至有些问题很难在短时间内找到合理的解决方法。因此，现阶段能做的就是利用现阶段已经掌握的技术，尽最大可能解决现在面临的问题，只有这样才能使微小型无人机方面的研究不断前进。四轴飞

6、行器的研究领域十分广阔，并且其研究范畴随着研究的不断深入还在继续扩大，而对其中的部分技术问题开展一些探索性研究工作也是本课题的目的所在。揭开了近代航空发展史的序幕的，是美国的莱特兄弟，他们是于1903年成功研制出了世界上第一架能真正载人飞行的动力飞机。人类对四轴飞行器的研究与探索也开始于那个时代。但在很长一段时间内，四轴飞行器的研究由于科技发展程度以及理论知识的制约，并未能取得很好的发展与足够的重视。纵览整个20世纪，也并没有多少多轴飞行器被真正设计。早在上个世纪中叶，多旋翼飞行器就已经受到了海外一些研究机构的瞩目。近些年来，国际上针对四轴飞行器已经有很多的研究案例与研究成果，然而我国对四轴飞

7、行器的研究成果还很少。很多国内高校开展了关于四轴飞行器方面的研究工作，研究成果主要有北京理工大学的智能机器人研究所、国防科技大学机器人实验室和上海交通大学的微纳米科学技术研究所等在做这方面的相关工作。从四轴飞行器的发展现状来看我国在该领域与发达国家的差距还很大，必须加大自身的研发力度，开展自主研发工作。1.2 本文研究目的及意义四轴飞行器属旋翼飞行器，具有操作简单、控制灵活，便于起降，可以悬停等优点，它小巧的体积可以适应于很多的用途。四轴飞行器在结构上较单一直升机相比，结构紧凑、能产生更大的升力，同时可以通过反扭矩作用使飞行器平衡，不需要专门的反扭矩旋翼，悬停性能更加良好，易于控制，对于操作者

8、的要求不高等特点，这对于广泛的应用推广具有重要的意义，在民用和军事领域都有广泛的应用前景，因此对于四轴飞行器的研究具有重大的现实意义。随着科技的发展，人们生活的节奏也越来越快，随之人们对方便，快捷的要求也随之不断增高。遥控器的出现，在一定程度上满足了人们这个要求。遥控器是由高产的发明家Robert Adler在五十年代发明的。而红外遥控是20世纪70年代才开始发展起来的一种远程控制技术，其原理是利用红外线来传递控制信号，实现对控制对象的远距离控制，具体来讲，就是有发射器发出红外线指令信号，有接收器接收下来并对信号进行处理，最后实现对控制对象的各种功能的远程控制。红外遥控具有独立性、物理特性与可

9、见光相似性、无穿透障碍物的能力及较强的隐蔽性等特点。随着红外遥控技术的开发和迅速发展，很多地方都应用了红外遥控，而飞行器也不例外。从单纯的在飞行器控制面板上通过按钮控制，到10米以上远距离的遥控，虽然改变不大，但其带来的便利无疑是巨大的。而红外遥控技术的成熟，也使得遥控器控制飞行器变得设计简单，价格低廉。小型四旋翼飞行器与其它飞行器相比，其优势在于其机械结构较为简单，并且只需改变四个马达的转速即可实现控制，飞行机动能力灵活。另一方面，小型四旋翼飞行器具有较高的操控性能，并具有小区域范围内起飞、盘旋，飞行、着陆的能力。小型四旋翼飞行器研究也为自动控制以及计算机科学等诸多领域的融合研究提供了一个平

10、台。本设计主要通过单片机识别遥控器发出的信号对四个直流小电机进行速度控制，由电机带动四个旋翼旋转，实现飞行器的加速、减速、升降、前后左右移动等功能。内容涉及力学分析、直流电机驱动、微型计算机控制等学科领域。通过创建模型并编写程序，在仿真软件上进行仿真模拟飞行器的飞行状态，验证设计的合理性。设计主要实现以下主要功能：1. 基于单片机控制飞行器启停、加减速、前进后退、左右侧飞以及左右转；2. 通过红外遥控部分能够将键盘的信息有效的传递到微控制器上。1.3 本次设计的主要内容本次毕业设计的主要设计内容是飞行器的整体设计，主要有机械部分、硬件部分和软件三部分。首先是机械部分的结构设计，在文中的第二章中

11、主要介绍的就是这部分内容，机械部分有螺旋桨、机架和电机三部分构成。第二部分是硬件部分的总体设计，这部分内容涉及到对飞行器的单片机控制、整体的电路图设计以及基于单片机的红外遥控部分的设计，这部分内容的重点是单片机对直流电机的控制，只有控制逻辑正确才能让飞行器稳定的飞行。而对于红外遥控部分的设计，在设计中对红外信号的发射和接收进行了简单的设计，采用码分制的方法确保红外信号发出的能被准确的接收到，并且完成相应的操作。第三部分是软件编程、流程图和仿真调试的运行，软件编程采用的是单片机C语言进行编写的，流程图是对程序运行的一种顺序表示，表达出程序是如何运行下去的，仿真调试部分是利用Keil C51和Pr

12、otues仿真结合在一起进行仿真的。总之，整体设计结构就如上文所述，本次设计是采用成熟的技术，简单的方法实现单片机在飞行控制方面的应用，通过仿真运行结果可以看见设计的思想在理论上是可以的，但是还缺少实践，以后希望有机会再深入研究。2 机械结构设计2.1 元器件的选择本结构的设计主要为飞行器的机械部分结构设计，首先要进行设计中所需的零部件的选择，根据四轴飞行器的基本原理和结构，所需的元件主要有支架、四个直流小电机、两个正向旋翼两个反向旋翼、一个PCB电路板、四个电机驱动芯片，本部分主要是对支架、电机和旋翼进行选择。2.1.1 飞行器基本工作原理在确定飞行器的模型之前查阅了大量的资料，结合前人的研

13、究成果和经验教训，最终确定飞行器的机械结构呈十字形交叉固定的四根主轴组成，在主轴的四个端点处安装四只旋翼，且四只旋翼处于同一水平面。飞行器的整体空间上呈现轴对称结构，其结构示意图如图2.1所示。图2.1 四轴飞行器控制原理图上图中逆时针方向分别为电机1，电机2，电机3与电机4。电机1与电机3逆时针旋转的同时，电机2与电机4顺时针旋转。各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，这样才能使飞行器平稳的飞行在空中。四轴飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。四只电机转速相同时，因为两对旋翼旋转方向相反，刚好可以使各

14、自对机身产生的反扭矩得到抵消，使飞行器在旋转方向上达到平衡1。从整体上看，机体只受到向上的升力与其自身重力的作用。当同时增加四个电机的转速时，可以使得旋翼提供的上升的拉力增大，当总拉力大于飞行器自身重力的时候，四轴飞行器便离开地面垂直上升。反之，同时减小降低四只旋翼的转速时，旋翼提供的总的拉力减小，当总的拉力小于机身重力时，飞行器则垂直下降。因此，控制四轴飞行器垂直升降时应保证四个旋翼转速的同步增加或同步减小。当飞行器要转向右转向时，2,4号电机转速下降，1,3号电机转速上升，使向右的反扭矩大于向左的反扭矩，四轴在反扭矩的作用下向右旋转。反之，则实现四轴的左转。其他方式的运动原理与上述过程类似

15、，四轴飞行器原理虽然简单，但实现起来还需要很多工作要做。2.1.2 旋翼和机架的确定四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋，相隔的桨旋转方向是不一样的，本设计中共需要一对正桨和一对反桨。在选择螺旋桨的型号时要考虑到桨在旋转时所形成的圆的直径，在查阅了大量资料后确定螺旋桨的型号为1045。为了保证飞行器在飞行时四个螺旋桨之间不发生干扰，就需要对飞行器支架进行尺寸设计。以上可知螺旋桨直径为10英寸（1英寸=254毫米），一般对于机架的尺寸没有特殊的要求，只要保证在运动过程中各旋翼不发生干扰即可，所以本次设计中让机架长度为790毫米，轴距为750毫米，正好符合要求。2.1.3 其他小部件的选择由于四轴飞行器的

16、机械结构比较简单，除了螺旋桨和机架外其余的一些小零件主要包括安装在个芯片上的螺钉，螺旋桨上的塑料帽。在选择螺钉时为了方便统一规格，按照标准均用M5x6.5规格的螺钉，塑料帽没有要求只要能把螺旋桨固定住就行，以防止在飞行过程中桨飞出造成损坏。2.2 电机根据供电方式，电动机分为直流和交流电动机。而直流电机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。直流电动机包括旋转的电枢和静态的磁场。电枢中的电流，必须通过电刷来产生转动的力。静态磁场可以有绕线式电动机的励磁绕组或永磁电动机的永磁体来提供。绕线式电动机可分为三种类型：串励电动机的电枢和励磁绕组是串联的，这种电机具有很大的启动转矩和较高的空载转

17、速，但它的调速性能较差；并励电动机的电枢和励磁绕组是并联的，这种电动机比串励电动机具有更好地调速性能；复励电动机既有串励励磁绕组又有并励励磁绕组，它综合了串励电机和并励电机的优点。永磁电动机使用永磁铁提供静态磁场，其转矩-速度曲线具有很好的线性，能进行很好的调速，所以本次设计选择了ZYN系列稀土永磁直流电机，其型号为70ZYN01，电机参数如下表：表2.1 电机参数转矩（Nm）转速（r/min）功率（W）电压（V）电流A（不大于）318.63000100246.5直流电机主要由磁极、电枢和换向器三部分组成，下面讨论一下直流电机的工作原理，我们可以把直流电机结构简化为图2.2所示的工作原理图。电

18、机具有一对磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别连在两个换向片上，换向片上压着电刷A和电刷B。 图2.2 直流电机工作原理图直流电机再作电动机运行时，将直流电源接在两电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向。这样才能使两个边上受到的电磁力方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N(S)极下转到S(N)极下时，其中电流的方向必须同时改变，以使电磁力方向不变。这个过程通过换向器就能实现。直流电机电枢绕组中的电流（电枢电流Ia）与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩。直流电机的电磁转矩常用下式表示T = KT

19、Ia （2.1） 式中KT 是与电机结构相关的系数 单位是韦（Wb）Ia 单位是安（A）2 2.3 总体结构研究完飞行器的基本原理并确定了所需元器件的型号以后，进行了总体结构模型的构建，利用CATIA软件建模，将各部分零件组装起来构成了本次飞行器设计的简化模型，其效果图如图2.6所示。图中主要有机架、电机和螺旋桨，机架在自己动手制作时可以选用质量较轻的复合型木材，在板的四个末端钻四个直径为50mm的孔，将电机安装在孔中，四个旋翼则安装在电机轴上。由于螺旋桨的帽没有固定的尺寸，在建模时就没有绘制出来。1. 图2.3为设计中选择的旋翼，旋翼为塑料件，旋翼有两片叶片，旋转中心的孔是配合安装在电机轴上

20、的。图2.3 旋翼结构图3. 图2.4为制作成一体的机架，本次设计时没有选择专门的四轴飞行器机架，采用DIY的方式，选用轻质的木材制作成十字架的整体形状，十字架板和中间的方形板是一体的。机架的四个顶端有四个直径为50mm的孔用来和电机的大轴直径相配合，安装时只要将电机大端插到孔中就可以。图2.4 机架结构图4. 图2.5为设计中用到的直流小电机，将电机轴伸出端安装在旋翼的中心孔中，外形结构简单。图2.5 电机架构图5. 图2.6为设计的整体建模效果图，十字架板同一个方向上安装的旋翼旋转方向一致，另一个方向上的两个旋翼方向与之相反。图2.3 四轴飞行器总体结图3 硬件设计3.1 概述本章主要从四

21、轴飞行器的飞行控制特点入手，对飞行控制系统的总体方案进行设计。四轴飞行器具有体积小、重量轻、易于控制等特点，根据这些特点可以得出飞行控制的系统硬件设计的总体要求：选择高速微处理器、高性能遥控收发设备、集成度高的驱动芯片、要有灵活的可控性等。在具体的方案设计过程中应该从以下方面考虑系统设计：可靠性、可行性和髙集成度，根据这些特点得出飞行控制的系统硬件设计的总体要求，具体包括以下几个方面：（1）通过键盘改变脉冲的占空比从而达到改变电机转速使飞行器按照对应要求飞行的目的。（2）通过启动键启动电机，从而达到防止电机误启动的目的。（3）通过示波器来显示四个电机的输出波形。（4）无线通讯误码率要低，实时性

22、要高，保证传输信息的准确性。以上几点要求和限制为设计飞行控制系统的硬件提供了依据，有的放矢。为此尽量采用比较成熟的、可继承性和可借鉴的技术和元器件。下面首先给出系统硬件总体结构，然后分模块介绍系统硬件的选型和电路设计，包括控制器模块、电机驱动模块、红外通讯模块及电源模块。3.2 硬件电路的设计及选型3.2.1飞行控制系统结构上节中进行了四轴飞行器的飞行控制器硬件设计需要分析，根据系统设计需要，设计如右图3.1所示结构的四轴飞行器系统方案。系统结构的核心部分为飞行控制器，其核心是基于AT89C51的控制系统。微控制器加上各种功能模块构成飞行控制器。其中无线收发模块接受遥控器传来的控制信号，然后将

23、控制信息传送给控制器模块。控制器模块通过执行相应的软件指令输出相应的PWM信号，再经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四轴飞行器稳定飞行。其中L298n是专用的驱动直流电机的芯片，每一片L298n可以同时驱动两个直流小电机，所以本设计中用到两片。图3.1 飞行控制系统结构图3.2.2 单片机的选型及介绍如今单片机的应用越来越广泛特别是51系列的单片机，诸如调制解调器，电动机控制系统，空调控制系统，汽车发动机和航模等一些领域。这些单片机的高速处理速度和增强型外围设备集合使得它们适合于各种高速事件应用场合。本次设计中则选取了ATMEL公司生产的AT89C51单片机。一、AT89C51具有下列主要性能

24、：1) 4KB可改编程序Flash存储器2) 0HZ24HZ3) 三级程序存储器保密4) 1288字节内部RAM5) 32条可编程I/O6) 2个16位定时器/计数器7) 6个中断源8) 可编程串行通道9) 片内时钟振荡器另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0HZ，并提供两种可用软件来选择的省电方式-空闲方式和掉电方式。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。二、管脚说明（1）VCC：电源端（2）GND：接

25、地端（3）P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0口输出原码，此时P0外部电位必须被拉高。（4）P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。（5）P2口：P2口为

26、一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口用于外部程序存储器或16位外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位的地址信号和控制信号。（6）P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，他们被内部上拉为

27、高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（TTL），也是由于上拉的缘故。除此之外P3口还用于一些专门功能，这些兼用功能见表3.1所示。表3.1 P3各端口引脚与兼用功能表端口引脚兼用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD (串行输出口)P3.2(外部中断0)P3.3(外部中断1)P3.4T0(定时器0的外部输入)P3.5T1(定时器1的外部输入)P3.6(外部数据存储器写选通)P3.7（外部数据存储器读选通）（7）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。（8）ALE/：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存

28、地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可以用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。（9）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。（10）：当EA保持低电平时，访问外部ROM，当EA端保持高电平时，访问内部ROM。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。（11）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。（12）XTAL2：来自反向振荡器的输出。3三、AT89C51的最小系统如图3.2所示，在X1和X2之间接一只石英振荡晶体构成了单片机的时钟电路，他还有另一种接法，是把外部振荡器的信号直接接到XTAL1端，XTAL2端悬空不用。AT89C51复位引脚RET/VP通过片内一个施密特触发器（抑制噪声作用）与片内复位电路相连，施密特触发器的输出在每一个机器周期由复位电路采样一次。当振荡电路工作，并且在RST引脚上加一个至少保持两个周期的高电平时，就能使AT89C51完成一次复位。复位不