四旋翼无人机设计.pdf

1、 本科毕业设计本科毕业设计 四旋翼无人机设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及自动化 学 号 4113010612 学生姓名 余涛涛 指导教师 袁永超 提交日期 2017 年 5 月 20 日 编编 码码 20201717-JXSJJXSJ 专业代码专业代码 080202080202-208208 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 本人郑重承诺和声明:我承诺在毕业论文撰写过程中遵守学校有关规定,恪守学术规范,此毕业论文(设计)中均系本人在指导教师指导下独立完成,没有剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果,没有篡改研究数据,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,如有违规行为发生,我愿承担

2、一切责任,接受学校的处理,并承担相应的法律责任。毕业论文设计作者签名：年 月 日 I 摘 要 近来来无人机行业发展迅速，相比于传统固定翼飞行器，四旋翼结构简单，操作易上手，让那些重未接触过航模的人能够轻松完成飞行。本文重四旋翼无人机的飞行原理入手，设计了飞行器的硬件系统，其中包括各类传感器，并依据 PID 算法实现飞行器自稳，接着进行了飞行调试。本次设计选用的飞控是以 STM32 芯片作为核心，根据各传感器不同的特征，采用不近相同的校正方式对飞行器其中包含的各个传感器所显示的数据进行更正。最后运用 PID 算法对这些数据进行组合，通过改变四旋翼电机的转速，来实现飞行器的各种飞行动作和不同的飞行

3、模式。在组装四轴无人机的过程中，不断地调试和修正飞控主程序，最终做出了有多种飞行模式且能平稳飞行的四旋翼无人机。关键词：关键词：姿态传感器;STM32 微型处理器;数据融合;PID 算法 II ABSTRACT The four rotor UAV because of its relatively simple structure,and the control is also very convenient,so its become a hot industry in recent years.This paper introduces the design and production

4、 of the four rotor UAV,in which contains the principle of flight four rotor UAV,the flight hardware the specific debugging and selection,cascade PID algorithm and system software.The selected four rotor UAV control system is based on STM32 microcontroller as the core,in accordance with the character

5、istics of each sensor,the correction is not nearly the same correction for each aircraft sensor contains the data displayed.Finally using PID algorithm for the combination of these data,and then control four motor rotor four,and then to implement various aircraft flight maneuvers and aerobatics.In t

6、he design and production of the four rotor UAV step In this paper,a lot of debugging is carried out,and compared with the existing excellent attitude algorithm,and then verified,and finally produced a four rotor aircraft capable of continuous and stable flight operations Key Words：MEMS Sensor;STM32

7、Processor;Data Fusion;PID III 目 录 1 绪论.1 1.1 研究背景及意义.1 1.2 国内外四旋翼飞行器的研究现状.1 1.2.1 国外四旋翼飞行器的研究现状.1 1.2.2 国内研究现状.2 1.3 本文研究内容和方法.3 2 四旋翼无人机的结构与工作原理.4 2.1 四旋翼无人机的结构.4 2.2 四旋翼无人机工作原理.4 3 四旋翼无人机硬件系统设计.9 3.1 微惯性组合系统传感器组成.9 3.1.1 MEMS 陀螺仪传感器.9 3.1.2 MEMS 加速度计传感器.9 3.1.3 三轴数字罗盘传感器.9 3.2 姿态测量系统传感器选型.10 3.3 电

8、源系统设计.11 3.4 其它硬件模块.12 3.4.1 无线通信模块.12 3.4.2 电机和电机驱动模块.12 3.4.3 机架和螺旋桨的选型.13 3.4.4 遥控控制模块.14 4 四旋翼飞行器系统软件设计.16 4.1 系统程序设计.16 4.1.1 姿态系统软件设计.16 4.1.2 PID 控制算法设计.17 5 飞行器试验.19 5.1 飞行试验准备.19 5.1.1 试飞平台组成.19 5.1.2 试飞实验注意事项.19 5.2 试飞内容及结果.20 5.2.1 地面静态实验测试.20 5.2.2 动态飞行实验测试.22 6 总结与展望.28 IV 参考文献.29 附录 A.

9、30 附录 B.31 致 谢.59 商丘工学院本科毕业设计 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 随着无刷电机和锂电池的充分发展，一直是实验模型的四旋翼无人机变成了现实中常见的飞行器。四旋翼无人机相对低廉的成本和超高的灵活性一直是许多科研机构的重点研究项目。四旋翼无人机可以说是将人们的视线重固定翼拉到了多旋翼，固定翼体积大负重小的问题一直备受诟病。四旋翼的出现真正打破了飞行器单翼的僵局，也将飞行器这种在普通人眼中比较高大的事物变成普通。民用上的无人机喷洒农药，无人机航拍，无人机测绘，操作方便，组装成本低，效率高，已然成为新时代飞行器的佼佼者。军事上的应用更为广泛，侦查，气象探查，物资投放等。虽

10、说无人机的飞行原理简单，但是它所囊括的学科非常多。从无人机机体的设计、传感器的选择、无人机系统的布置和飞行软件的编写都要无人机专业理论的支撑。本次设计主要是调试无人机，不断地完善飞行姿态参数，最终设计出能够稳定飞行的四旋翼。目前造价低廉并且超高性能的无人机的深入研究在不久的将来会拥有非常大的经济效益，并且能够促进科研事业的长久发展。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 最先开始四旋翼研究的是加拿大的一名研究人员，通过演算和推导证明了四旋翼无人机能够稳定飞行的可能性，但限于当时的无刷电机和电池发展不足，因而一直是理想模型。而来至澳大利亚的一所名叫卧龙岗的大

11、学，大学里的研究人员针对四旋翼建立了一个非常精确的模型，并成功试飞。Draganflyer 由美国公司研发，特点较为突出，如图 1.1 所示。该种四旋翼无人机主要制作的材料是碳纤维，碳纤维具有强度大，重量轻的特点，碳纤维的使用使得电机大部分动力可以用在诸多外置传感器上，因此航拍也就轻而易举了，有四个无刷大拉力电机提供飞行动力，并且不需要舵机，四个电机既提供动力也可以做舵机，飞行更加稳定。与 Rraganflyer 同样具有代表性的是 AR.Drone 无人机，Parrot的无人机比 Draganflyer 多了螺旋桨的保护套，Parrot 公司甚至将保护套连接起来，这样做出的飞行器稳定性更好，

12、飞行器上的保护套同时也起到保护作用，如图 1.2所示。AR.Drone 首先将手机控制用到无人机控制上面，打破了传统遥控器控制的单一局面，是操作者可操作方式多元化，其所使用在飞行器上的 MEMS 传感器，同时配上了诸多传感器，例如超高像素摄像头，AR.Drone 的工作范围更加广泛。无人机研究项目的火热也促进了商业价格的提升，德国 MD4-200，如图 1.3 所示。这个型号的无人机机架通体采用碳纤维，碳纤维纯黑高亮的特点，让无人机的整体面貌焕然一新，同时其在空中负载能力增强，最重要的是非常省电，续航时间大大拉长，方商丘工学院本科毕业设计 2 便 的诸多飞行任务。这款无人机又搭载了 GPS 全

13、球导航系统还有摄像相机，这样的合理搭配使无人机能够非常轻松的在任何环境执行各种既定航拍任务。图 1.1 DraganflyerX4 四旋翼飞行器 图 1.2 AR.Drone 飞行器 当今诸多科研机构相继开展了与四旋翼无人机有关联的科研项目，比如美国的麻省理工，提出了 UAV SHMP，俗称多机协同飞行。其主要目的是通过地面站地面控制来进行多飞行器的协同飞行完成既定的飞行任务。就目前来讲，该实验已经成功进行了一个地面站对诸多无人机的控制实验，可运用该设备来对地面上的目标进行全方位监视与多层面追踪。该款四旋翼无人机内部所带的姿态传感器，测量精度高，能够实时测量飞行器的实际姿态。并依据感知到的诸多

14、信息来对飞行轨迹进行规划与重建。可以说多机协同下的无人机已经智能化且能够完成诸多飞行任务。图 1.3 MD4-200多功能航拍飞行器 图1.4 MIT多旋翼飞行器协同飞行实验 1.2.2 国内研究现状 但是相比于国外无人机的高速发展，国内无人机发展则较为缓慢，再加上国外对技术的封锁，国内想要获得成果的日期更是被无限延长。所以对于无人机这一高新技术研究一般都是国内的几大航空院校和部分高新技术产业在进行。商用最为突出的就是于 2006 年在深圳成立的大疆创新公司，该公司对于四旋翼无人机的研究比较积极，研发出的多种主线飞行器，市场反响都非常好，其中包括飞行器飞行控制系统简称飞控与地面站。精灵 2 V

15、ISIO+无人机，该款无人机自带云台，安装了高清相机，云台采用 3 轴陀螺仪减震与 GPS 定点，飞行十分稳定，操作简单易上手，即便是没玩过飞机的新手，也能轻易爽飞。在国内外都有较高的评价。商丘工学院本科毕业设计 3 图 1-11 大疆 PHANTOM 2 VISIO+四旋翼飞行器 1.3 本文研究内容和方法 本论文研究的内容是基于 STM32 的四旋翼无人机飞行控制系统设计，通过 PID算法对飞行器数据进行更正，使得飞行器能够实现自行稳定，同时具备自主飞行与远程遥控飞行两个模式，为了飞行安全，加上了飞行模式切换功能，当飞行器出现故障或者报错的时候，转自动模式为手动模式，运用手上遥控器对飞行器

16、进行控制，来实现飞行器稳定飞行的功能。主要研究内容安排如下：第一章中的绪论部分主要说明了本课题的研究意义和对四旋翼无人机在国内外的研究现状与发展趋势做出了简要的描述。第二章着重介绍了四旋翼无人机的两种结构方式和飞行原理。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。第四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。第五章详细介绍了四旋翼无人机试飞前的各种注意事项并且进行

17、了飞行器静态测试和动态测试。最后一章对本次设计进行了总结，并且说明了设计中存在的问题并对今后的研究工作进行了展望。商丘工学院本科毕业设计 4 2 四旋翼无人机的结构与工作原理 2.1 四旋翼无人机的结构 飞行控制器控制飞行姿态，电调、电机和螺旋桨提供飞行动力，航模电池提供电能，遥控器控制飞行模式。四旋翼无人机有两种组装模式，飞行正方向位于两机臂之间的是 X 字模式（如图 2.1 所示），还有十字模式的安装方式，不过用这种安装方式容易出现很多问题，一般很少运用（如图 2.2 所示）。在使用与性能上两者没有太大差距，出于习惯，多数研究者使用 X 模式，因而我们也选用 X 字模式。X 字模式的安装方

18、法意味着四个电机要按照对角的方式安装到机臂上，并且要保证在同一对角线上的电机旋转方向一致，两两相邻的电机则要旋转方向相反。如果认为 2 号电机和 4 号电机是逆时针转，那么 1 号电机和 3 号电机就要顺时针转，这样飞机才能稳定的飞行，这样做的目的是克服反扭矩。当然要想实现飞行器的多种飞行动作包括偏航，俯仰和横滚就需要四个电机来配合才能够达到目的。图 2.1 X 型四旋翼模型 图 2.2 十字型四旋翼模型 2.2 四旋翼无人机工作原理 四旋翼无人机也可以算作是一种特殊的直升机，一般直升机只有一个主旋翼与一个尾桨，直升机通过舵机来控制螺旋桨的桨距角进而来控制器姿态。四旋翼则与之不同，四个电机不同

19、的转速为飞行器提供了诸多飞行状态。四旋翼四个电机均匀的分布在机架上，紧凑了机架结构，使得飞行器更加灵活，执行任务时更加高效。四旋翼无人机有滚转、俯仰和偏航这 3 种飞行动作，每个飞行动作下有两种飞行方向，因此四旋翼无人机有六种飞行方式。还有部分特殊飞行模式，例如翻滚，绕圈，降落等，这些飞行模式简而言之也就是 3 种基本飞行模式的组合，安装电机转向如图 2.3 所示 商丘工学院本科毕业设计 5 图 2.3 四旋翼飞行器旋翼转向示意图 当位于机架右上角的 2 号电机和位于机架左下角的 4 号电机逆时针转动，电机M1 和 M3 顺时针转，电机上的螺旋桨选用的是 12 寸正反桨，当电机转速一致时，位于

20、对角线上的 M2 和 M4 电机产生扭矩力，因 M1 和 M3 与 M2 和 M4 电机转速相反，其产生的反扭矩力与扭矩力大小一致方向相反，正好抵消。同时正转电机搭配反向桨，反转电机搭配正向桨。下面对飞行器飞行动作进行细致分析。（1）空中悬停：如图 2.4，飞行器通上电源，慢慢拉高油门，电机转速慢慢增大，螺旋桨的拉力也在逐步提升，一旦四个电机的升力 F 在数值上和飞行器重力 G 大小一致，方向相反，这时候的飞行器成功悬停。图 2.4 空中悬停示意图（2）上下垂直运动：如图 2.5，当提升油门，电机转速同时增大的时候，产生的升力 也在慢慢增大，这时候总升力 F 大于无人机自身重力 G，无人机能够

21、垂直往上。图 2.5 飞行器垂直向上示意图 如图 2.6，当拉低油门，电机开始慢速运行时，所产生的升力也在变小，这时总升力 F 小于无人机的自身重力 G，无人机能够垂直下落。商丘工学院本科毕业设计 6 图 2.6 飞行器垂直向下示意图（3）俯仰运动与前后运动 如图 2.7，当位于 X 轴正方向上的 M1 和 M2 电机转速减少，而在 X 轴反方向上的 M3 和 M4 电机转速增加时，此时飞行器总升力 F 有一个分力使得飞行器能够往前飞行。图 2.7 飞行器向前飞行示意图 如图 2.8，当位于 X 轴正方向上的 M1 和 M2 电机转速增加，而在 X 轴反方向上的 M3 和 M4 电机转速减少时

22、，此时飞行器总升力 F 有一个分力使得飞行器能够往后飞行。图 2.8 飞行器向后飞行示意图（4）滚转运动与左右运动 如图 2.9，要想实现飞行器向左运动则需要电机 M1 和 M4 减速，电机 M2 和 M3提速，飞行器的总升力 F 有一个分力使得飞行器向左飞行。商丘工学院本科毕业设计 7 图 2.9 飞行器向左飞行示意图 如图 2.10，要想实现飞行器向右运动则需要电机 M1 和 M4 提速，电机 M2 和 M3减速，飞行器的总升力 F 有一个分力使得飞行器向右飞行。图 2.10 飞行器向右飞行示意图（5）左右偏航运动 通过控制无人机电机的转速，各电机产生的反扭矩在大小与方向有差异，要想飞行

23、实现偏航，则需要相邻电机间产生转速差，例如飞行器往左转向，电机 M1 和 M3 转速增加，电机 M2 和 M4 转速降低。图 2.11 飞行器向左偏航 如图 2.12，同理，当飞行器的电机 M1 和 M3 减速，电机 M2 和 M4 提速，这时飞行器向右偏航。商丘工学院本科毕业设计 8 图 2.12 飞行器向右偏航 商丘工学院本科毕业设计 9 3 四旋翼无人机硬件系统设计 3.1 微惯性组合系统传感器组成 3.1.1 MEMS 陀螺仪传感器 陀螺仪应用于保持飞行器方向和角速度（也可以用作角速度的获取）的设备，角动量守恒定理是其设计依据。这种用来保持方向而制造出来的装置就叫陀螺仪，如图 3.1

24、所示。陀螺仪主要应用于导航定位系统，姿态控制系统中多采用三轴陀螺仪，如图 3.2 所示。图 3.1 陀螺仪 图 3.2 MEMS 三轴陀螺仪 3.1.2 MEMS 加速度计传感器 加速度传感器是一种将物体加速度的信息转换成电信号的传感器。在姿态控制系统中，加速度传感器则是用来测量与重力方向的夹角。加速度计能够感应重力产生的加速度在没有加速度存在的条件下，如果物体有加速度存在时，加速度传感器则没有办法测量出姿态角，这时候就要陀螺仪传感器的数据的配合，只有在这种条件下才能够成功实现在动态条件下的物体的姿态测量。3.1.3 三轴数字罗盘传感器 数字罗盘传感器通俗一点来讲可以认为它是指南针，在实际生活

25、中指南针应用于指示方向。然而一般罗盘感应地磁场方向是通过磁针来实现，电子罗盘测量地磁方向信息则是通过磁阻传感器，之后传感器再将所测信息转换为信号输出。数字电子罗盘最大的优势就在于它克服了传统罗盘只能够在水平面使用的缺点，而在这种数字电子罗盘内部则有倾斜补偿装置，这个装置一般是由加速度传感器来完成，如果在完全动态的情况下，也需要陀螺仪检测姿态角，为了能够补偿得到准确地角度信息需要通过这个角度和磁场方向，而姿态测量系统中的电子罗盘实际上就是三轴数字电子罗盘。商丘工学院本科毕业设计 10 3.2 姿态测量系统传感器选型 选用的 MPU6050 芯片，这种芯片优化了诸多模块，三轴陀螺仪与三轴加速度计布

26、置于芯片内部，这样设计的目的是消除在焊接电路时造成陀螺仪与加速度计之间的对准误差的毛病，并且有数字可编程低通滤波器应用于芯片内部结构上。因此在无人机承受比较大的震动时，可以用电脑软件设置适合频率的低通滤波器，过滤掉高频率的震动，这种措施非常有效的避免了四旋翼飞行器机身震动时造成传感器姿态测量的误差。因此 MPU6050 芯片主要被应用于姿态控制系统中，其具体特征如下：（1）三轴角速度传感器的测量范围有250、500、1000 和2000（/s）；三轴加速度有2g、4g、8g、和16g 的量程控制范围。（2）具备较低能耗：芯片供电电压 VDD 在 2.5V5%、3.0V5%、3.3V5%范围内即

27、可；（3）陀螺仪与加速度计两者都具备 16 位 ADC 同步采样功能。（4）传输频率可高达 400KHz 的 IIC 接口，内建频率发生器只有 1%频率变化在所有温度范围内。由上综合 MPU6050 特性，为了读取三轴加速度与三轴陀螺仪数据我们采用如图3.3 所示的电路。图 3.3 MPU6050 电路图 HMC5883 传感器是一种三轴数字罗盘，这种传感器可以用来实时测量四轴无人机所处位置三轴磁场信息，该传感器内部安装了三轴磁阻模块与放大采样电路，传感器直接输出数字信号，这些数字信号可以用来测量航向角，HMC5883 电路图如图3.4 所示。HMC5883 传感器的特征如下：（1）IIC 数

28、字量输出总线接口，设计与使用都比较简单，其尺寸也非常小。商丘工学院本科毕业设计 11（2）测量精度较高。图 3.4 HMC5883 电路图 （3）具备自动校准功能，这种功能十分有效，简化了应用的步骤。（4）在传感器内部有自测试电路，因此传感器量产和测试都十分方便，不用再增加额外高昂测试设备。（5）该传感器所需电压很小仅有 1.8V，所以可以说这款传感器的功耗低，同时其能耗也非常低，在睡眠模式下传感器能耗只有-2.5uA，在测量模式下传感器的能耗也仅为-0.6mA。3.3 电源系统设计 四旋翼无人机拥有不同类型的传感器，每一种传感器所需要的工作电压也不同，整体而言，传感器需要的电压为 12V、5

29、V 与 3.3V，电源系统的电路图如图 3.5 所示。通过多方面的参考，最终决定选择 12V 的航模专用锂电池作为飞行控制系统的供电电源，通过飞行控制器里的稳压芯片，先将 12V 电压降成 5V，为飞行器的 GPS 模块、接收机与超声波传感器等模块提供供电电源；最后稳压芯片 AMS1117_3.3 将 5V 电压降为 3.3V，因为飞控板工作电压为 3.3v，这也就使得与飞控并联的无线通信模块和姿态测量器工作电压为 3.3V。商丘工学院本科毕业设计 12 图 3.5 电源系统电路图 3.4 其它硬件模块 3.4.1 无线通信模块 在空中飞行的无人机不能直接与电脑地面站相连，因此加上了无线通信模

30、块。模块通过两块 NRF24L01 传感器进行数字信号的传输，控制器首先将高度与姿态等信息传输到地面站，之后地面站将导航信息与位置信息传输给控制器，从而达到对飞行器的控制。NRF24L01 传感器的工作频段为 2.4 2.5GHz，同时该款传感器拥有信号重拨的功能，当无线通信模块突然中断，传感器会自动重拨，其拥有 6 个数据传输通道，其中最大传输速率高达 2Mbits。STM32 芯片的主控板配置 NRF24L01 的寄存器通过 SPI 接口来实现，无线通信模块的电路设计图，如图 3.6 所示。图 3.6 NRF24L01 电路图 3.4.2 电机和电机驱动模块 无刷电机因其低功耗，高效率，大

31、拉力和寿命长的特点，因而一直是航模电机的主流选择。而更小型的四旋翼无人机在通常情况选用空心杯电机居多，空心杯属商丘工学院本科毕业设计 13 于有刷电机这一类。在本次设计中，设计的四旋翼无人机需要大动力和高的力效比，故选择无刷电机。市面上的无刷电机因为厂商的不同，其种类也五花八门，在目前的市场上有新西达，银燕，朗宇，飓风和老虎电机，其中新西达电机因其价格便宜，故也是新手入模专用电机，对玩过航模的人来说，新西达价格低廉，但其拉力与寿命都不怎么突出，飓风与老虎电机质量和性价比非常高，但其价格不亲民，在本次设计中采用朗宇电机，朗宇电机价格中等，性价比也可以，故采用朗宇无刷电机。不同的机架搭配不同的电机

32、，轴距在 250 桨选用 8 寸桨则选用型号为 2205，kv值为 2500 的无刷电机。每一种型号的电机电机转子的直径和高度都不近相同，同一型号的电机无论品牌，电机转子的直径和高度一致，这时候看的就是材料了。而电机的kv值是每增加1v电压，电机每分钟的空载转速。因为本人设计的是轴距为550，桨尺寸为 12 寸的飞行器故采用朗宇 3508，kv 值为 700 的无刷电机。无刷电机实物图，如图 3.9 所示。在四旋翼无人机中控制电机转速的称为电子调速器也就是电调，如图 3.10 所示。电调一边的黑色与红色的线是 11.1V 电源线，红色接电源正极，黑色接电源负极，直接焊接在飞机机架的下载板上。电

33、调另一边有 2 根线分别是白色线和黑色线，白色线是信号线，白色线直接与飞控相连，是飞控实现控制电机的主要，黑色线则接飞行控制器的 GND，电调下面的 3 个插孔与电机的插头相连，飞控收到电机改变信号，再将信号传给电调，电调调整电机转速，完成飞行控制。在这里要提及的是当飞控处于正方向，四个电机的转向是不一样的，如果发现电机的转向与我们所需的方向不一致，这时候就需要我们把电调与电机插头连线中的任意两根对换就可以。图 3.9 高利效无刷电机 图 3.10 电调实物图 3.4.3 机架和螺旋桨的选型 对于机架的选择，我们一定不能选择质量差的机架，差的机架容易使传感器读取到的数据噪声变大，进一步加大飞行控制器的误差，好一些的情况是飞机飞行不稳，差一些直接导致飞机无故坠毁，让操作者后悔莫及，因此选用材质为碳纤维的机架，碳纤维作为一种复合材料，因其强度大，质量轻的特点，被广泛应用到多旋商丘工学院本科毕业