四旋翼无人机飞控系统设计与研究.pdf

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10406分类号：

V249.1学号：

110085208014南昌航空大学南昌航空大学硕硕士士学学位位论论文文（专业学位研究生）四旋翼无人机飞控系统设计与研究四旋翼无人机飞控系统设计与研究硕士研究生：

陈新泉导师：

王幸国教授、王琪教授（副导师）申请学位级别：

硕士学科、专业：

电子与通信工程所在单位：

信息工程学院答辩日期：

2014年6月授予学位单位：

南昌航空大学万方数据TheDesign&ResearchoftheFlightControlSystemofQuadrotorADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOnElectronic&CommunicationEngineeringbyXinQuanChenUndertheSupervisionofProf.XinguoWang&WangQiSchoolofInformationEngineeringNanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaJune.2014万方数据77南昌航空大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：

所呈交的硕士学位论文，是我个人在导师指导下，在南昌航空大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。

尽我所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确地说明并表示了谢意。

本声明的法律结果将完全由本人承担。

签名：

日期：

南昌航空大学硕士学位论文使用授权书本论文的研究成果归南昌航空大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。

本人完全了解南昌航空大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。

本人授权南昌航空大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。

同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）签名：

导师签名：

日期：

万方数据I摘要四旋翼在很早之前就已经有人研究，但是限于当时的科技还不够发达，因此并没有引起大家的重视。

进入21世纪之后，随着科学技术的不断发展，以及微机电、微导航技术的出现，引来了四旋翼发展的新时代，各国都开设有相关的研究机构来对四旋翼飞行器展开研究。

四旋翼拥有控制灵活、体积小、重量轻、稳定性好、可垂直起降和定点悬停等特点，不论是在军事上还是民用上都拥有非常广泛的应用前景。

本文首先是对四旋翼飞行器的结构组成和工作原理进行分析，并以此为基础建立起四旋翼飞行器的动力学模型。

然后按照设计要求，提出了飞行器控制系统的总体方案，主控制器采用的是ARM公司推出的STM32微控制器；姿态传感器采用的是MPU6050，它内部已经集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计；航向测量模块采用的是高灵敏度的HMC5883L磁航向计；高度测量模块采用的高精度的BMP085气压高度计；定位导航模块采用的是GPS定位系统，定位芯片采用了u-blox公司生产的NEO-6M芯片；无线数据通信模块采用的是NRF24L01模块实现。

硬件部分设计完成之后，开始对飞行器软件架构进行综合设计。

首先是完成各机载传感器的数据采集，然后采用卡尔曼滤波的方法对传感器数据进行融合处理；采用PID控制算法实现了对飞行器的姿态控制；根据STM32的捕获输入功能，捕获接收机接收到的地面控制信号，完成对飞行器的控制作用；另外，系统中还加入了无线数据通信链路，通过这一模块能够实现地面系统与机载系统之间的数据传输和控制指令传达的功能。

最后对飞行器进行了飞行试验，首先是地面静态测试，测试各种状态下飞行器的姿态信息，并将测试到的姿态信息传输给上位机进行姿态显示；然后是进行四旋翼的空中动态飞行实验，分别进行了垂直运动，前进后退，左右侧飞，左右偏航等试验，经过测试，飞行器能够接收到地面控制指令并完成相应的飞行任务，飞行状态稳定，抗风能力较强，可实现空中悬停。

关键词：

关键词：

无人机，四旋翼，飞控系统，GPS定位，PID控制万方数据IIAbstractQuadrotorhasbeenstudiedveryearlybutdidnotarousewidespreadattentionduetothelimitoftechnology.Afterenteringthe21stcentury,withthedevelopmentofscienceandtechnology,aswellasMEMS,micro-navigationtechnologiesemerge,attractedaneweraofdevelopmentintheQuadrotors.Countrieshavesetuprelevantresearchinstitutionstostudyquadrotoraircraft.Quadrotorhasbroadapplicationprospectsinmilitaryandcivilianwiththecharacteristicssuchasflexiblecontrol,smallsizeandlightweight,andgoodstability.Quadrotoralsohasthecharacteristicsofverticaltakeoffandlandingandspothover.Firstly,thecompositionandworkingprincipleofthefour-rotoraircraftisanalyzed,Andasabasistoestablishadynamicmodeloffour-rotoraircraft.Thenfollowthedesignrequirements,theoverallschemeoftheaircraftcontrolsystemsproposed.MastercontrollerusestheSTM32microcontrollerwhichislaunchedbythecompanyofARM;AttitudesensorusesaMPU6050,ithasbeenintegratedwithinthethree-axisgyroscopeandthree-axisaccelerometer;Headingmeasurementmoduleusesahigh-sensitivitymagneticheadingmeterHMC5883L;HighdegreeofprecisionmeasurementmodulesbarometricaltimeterBMP085;PositioningandnavigationmoduleusesaGPSpositioningsystem,positioningchipsusingaNEO-6Mchip,whichisproducedbycompanyofu-blox;TheWirelessdatacommunicationmoduleisusedNRF24L01module.Afterthehardwaredesigniscomplete,theaircraftbeganacomprehensivesoftwarearchitecturedesign.Thefirstistocollectdatafromeachairbornesensors,thenuseKalmanfilteringmethodforsensordatafusion;UsingPIDcontrolalgorithmtoachievetherightaircraftattitudecontrol;UsetheSTM32scaptureinputfunctiontocapturingcontrolsignalofthereceiverreceivesfromGroundstation,toachievethecontroloftheaircraft;Inaddition,thesystemalsojoinedthewirelessdatacommunicationlink,throughthismodulecanachievethefunctionofdatatransferandcontrolcommandsconveybetweengroundsystemsandairbornesystems.Finally,theaircraftconductedaflighttest,Firstoneisgroundstatictestingtotesttheattitudeinformationoftheaircraftundervariousstatus,anddisplayedtheattitudeinformationtothehostcomputer.Thenquadrotorsairdynamicflighttesthasbeen万方数据IIIconducted,Includingverticalmotionfly,pitchfly,rollfly,yawflyandothertests.Tested,theaircraftcouldreceivethegroundcontrolinstructionsandcompletethecorrespondingflightmissions.Andtheflightstatusisstablewithstrongwindresistanceability.Theaircraftcanrealizehovering.Keywords:

UAV,Quadrotor,Flightcontrolsystem,GPSpositioning,PIDcontrol.万方数据南昌航空大学硕士学位论文目录IV目录摘要.IAbstract.II目录.IV第1章绪论.11.1课题研究目的和意义.11.2国内外发展及研究现状.11.2.1国外研究现状.21.2.2国内研究现状.51.3主要研究内容及结构安排.71.3.1主要研究内容.71.3.2论文结构安排.71.4本章小结.8第2章四旋翼飞控系统数学模型.92.1四旋翼无人机结构和工作原理.92.1.1四旋翼无人机的结构组成.92.1.2四旋翼工作原理.102.2数学模型的建立.132.2.1数学模型建立的方法和步骤.142.2.2坐标系及坐标转换矩阵.152.2.3动力学模型的建立.162.3控制律设计与仿真.202.3.1控制律设计.202.3.2系统仿真分析.232.4本章小结.24第3章四旋翼飞控系统硬件设计.253.1飞控系统总体方案.253.1.1飞控系统设计要求.253.1.2飞控系统基本控制原理.263.1.3飞控系统总体框图.273.1.4机载飞控系统.273.1.5地面测控系统.283.2四旋翼主控制器模块设计.293.2.1主控制器选型.293.2.2STM32主控制器硬件设计.303.3传感器模块设计.313.3.1IMU传感器模块设计.313.3.2磁航向计模块设计.343.3.3高度传感器模块设计.363.3.4GPS定位模块设计.38万方数据南昌航空大学硕士学位论文目录V3.4无线通信数据链.413.4.1手持无线遥控器.413.4.2无线数据传输.433.5本章小结.44第4章软件设计与测试.454.1软件开发环境简介.454.2传感器的数据采集与分析.464.2.1数据采集所采用的I2C总线协议介绍.464.2.2姿态传感器数据采集.474.2.3高度测量模块数据采集.494.2.4磁航向模块数据采集.524.3GPS模块软件设计与测试.544.3.1NMEA-0183协议简介.554.3.2GPS模块定位性能测试.564.4传感器的数据处理.574.4.1数据的滤波分析.574.4.2卡尔曼滤波算法.584.5本章小结.61第5章飞行器试验.625.1飞行试验准备.625.1.1试飞平台组成.625.1.2试飞实验注意事项.635.2试飞内容及结果.635.2.1地面静态实验测试.635.2.2动态飞行实验测试.655.3本章小结.69第6章总结与展望.70参考文献.71致谢.74附录.75万方数据南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论1第1章绪论1.1课题研究目的和意义电子技术和信息技术的快速发展带动了航空领域的快速发展，而随着微电子、微机电、微导航技术的广泛应用，无人机技术很快就成为了各国研究的热点，并得到了快速发展。

四旋翼无人机的结构比较简单，成本相对也比较低，方便维护。

与其他无人机相比，还具有体积小、重量轻、控制灵活方便、可垂直起降、可空中悬停等特点，不论是在军事领域还是在民用领域都能够得到非常广泛的应用5。

在军用领域，四旋翼无人机能全方位、多角度、远距离的对目标区域进行实时低空侦察，并同步传送影像信息，可进行战场伤员评估；另外，四旋翼无人飞行器还能够直接加入现代化战场，化身现代化武器，比如远程空投炸弹等。

在民用领域，四旋翼无人机可用于航空摄影、地震灾情探查、人员搜救、物件运输、监控巡查等方面。

经过综合分析和比较，可发现四旋翼无人机的优点非常之多，具有非常重要的研究意义。

1.2国内外发展及研究现状世界上第一架四旋翼飞行器是在1907年出现的，当时的旋翼架构是通过四根焊接钢管组成的，呈十字交叉形状，旋翼分布在各十字顶点处，旋转方向是一对顺时针，一对逆时针。

这架飞行器是由Breguet兄弟制造的（如图1-1），后来经过试验，该飞行器能够载人飞行，但是飞行的时间很短，而且飞行高度只有一米五，由于没有用到任何控制算法，飞行器的稳定性不好，无法安全载人驾驶。

图1-1Breguet-RichetQuadrotor万方数据南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论2之后，相继的研发出了几款四旋翼飞行器。

如1921年，GeorgeDeBothezat在美国某空军部建造了一架大型的四旋翼直升机，先后进行了100多次的飞行试验，但是仍然无法很好的控制其飞行，并且没有达到美国空军标准；1924年，制造出来一种叫Oemichen的四旋翼直升机，并实现了1Km的垂直飞行；1956年，Convertawing制造了一架螺旋桨直径超过19英尺的四旋翼直升机，并飞行成功，但当时人们已经对此不感兴趣，使得之后的很长一段时间里，四旋翼的研究都没什么进展。

近年来，随着微电子的快速发展，对于四旋翼无人飞行器的研究出现了一个研究热潮，不管是高校还是别的研究机构，亦或是航模爱好者，都展开了对四旋翼的研究。

其中，许多研究机构都已经成功的研究出四旋翼在简单的约束环境下手动飞行和自动飞行功能，但是在复杂环境下的全自主飞行研究依然还存在比较大的挑战。

1.2.1国外研究现状国外对于四旋翼的研究非常的活跃，加拿大的雷克海德大学里面的相关研究人员很早就证明了采用四旋翼设计思路能够实现飞行器的稳定飞行，澳大利亚的卧龙岗大学相关研究人员对四旋翼进行可一个精确的模型建立。

各国研究人员也以此引发了一个四旋翼的研究热潮。

下面对部分研究机构所设计的四旋翼做一个介绍。

（1）X-4FlyerMark2四旋翼无人飞行器X-4FlyerMark是由澳大利亚国立大学（AustralianNationalUniversity）进行开发，具有两种形式，早期开发的称为X-4FlyerMarkI，和OS41四旋翼的旋翼结构差不多；改进后的称为X-4FlyerMarkII，采用了倒转四旋翼结构形式，它的动力学特性比早期开发的更加的理想。

与其他的四旋翼实验平台相比，X-4FlyerMarkII飞行器的重量较大，它的机架采用碳纤维材料，飞行器地盘采用的是铝制材料，总体的系统结构非常稳定，机载系统具有特定的航空电子设备。

X-4FlyerMarkII的姿态控制采用的是线型SISO（单输入单输出）控制，解决了俯仰和滚转的耦合性。

实验证明，此倒转四旋翼结构的飞行器飞行状态稳定，抗干扰能力强。

万方数据南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论3图1-2ANUX-4FlyerMarkI图1-3ANUX-4FlyerMarkII侧视图和俯视图

（2）MicrodronesMD4-1000四旋翼无人飞行器MD4-1000四旋翼无人机是由德国MICRODRONES公司生产，可垂直起降自动驾驶。

机体云台都是采用特殊的碳纤维材料，机身重量轻、强度高，机臂可折叠，方便运输。

姿态、高度以及航向参考系统集成了加速度计、陀螺仪、电子罗盘、气压高度计、温度计、湿度计等高精度传感器，相比于MD4-200，它的任务载荷大，抗风能力强，续航时间更长，姿态控制更加稳定。

图1-4MicrodronesMD4-1000四旋翼无人飞行器（3）STARMAC无人飞行器STARMAC（StanfordTestbedofAutonomousRotorcraftforMulti-Agent万方数据南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论4Control）3无人飞行器是由美国斯坦福大学所研究的，总共有两款（STARMACI和STARMACII），可通过地面站控制飞行器的飞行姿态和飞行任务，自带GPS和惯性导航，能够实现航迹规划。

STARMACII是STARMACI的改进版，电力充足、拉力大、飞行时间更长，能够自动进行姿态调整和定高，可以应用于复杂的飞行环境中，可用于目标搜索、监视等场合。

图1-5STARMAC硬件实物图图1-6STARMAC空中飞行图（4）AR.Drone遥控四轴飞行器AR.Drone四轴飞行器是法国派诺特（Parrot）公司开发的一款飞行器，操作人员可通过iPad、iPhone以及iPodTouch等手持移动设备对其进行飞行控制。

飞行器的操作是通过自身发出的WiFi信号实现的，因此控制距离比较短。

该飞行器安装有重力感应装置以及机械控制芯片等部件，能够纠正风力和其他环境干扰所产生的误差，平衡AR.Drone飞行器的飞行角度以及飞行速度。

另外，飞行器的前部安有一个摄像头装置，能够将第一人称视角（FPV）所拍摄的画面传回到手持移动设备（iPad、iPhone或者iPodTouch），从而实现在iPad上的FPV驾驶。

除此之外，为了方便游戏开发者的开发，Parrot公司还提供有SDK，让游戏开发者基于此产品开发出相应的虚拟空战游戏。

图1-7AR.Drone2.0遥控四轴飞行器万方数据南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论5（5）四旋翼多机协同飞行无人机集群健康管理计划简称为UAVSHMP4，英语翻译过来就是UAVSwarmHealthManagementProject，这是由美国麻省理工学院（MIT）提出的一个飞行器研究项目，其目标是通过地面操控实现多无人机协同完成飞行任务。

目前，已完成了一台地面设备对多飞行器的控制试验，可用此装置来对地面目标物体进行追踪和监视。

MIT四旋翼无人飞行器采用姿态传感器来对飞行器姿态进行测量。

飞行器内部集成有激光扫描阵列算法，能够对周围的环境状况进行感知测量，并根据感知到的信息进行飞行航迹的重建和规划。

图1-8MIT多四旋翼无人机跟踪实验1.2.2国内研究现状国内对四旋翼无人机的研究起步较晚，尚处于初步阶段。

主要有南京航空航天大学、北京航空航天大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、国防科学技术大学、上海交通大学等高校的硕士研究生以及一些高新技术企业对四旋翼无人飞行器研究的比较多。

其中AEE一电科技是国家高新技术企业，其自主研发的四旋翼无人飞机F50参与过众多事件的应用，屡次在处理突发性事件中取得卓著成效，被国内外军用领域、警用/执法领域和民用领域众多行业广泛装备使用。

AEE飞行器系统F50是一款可垂直起降的小型四旋翼集成式无人机。

该机方便携带，能快速响应，到达任务执行地点后，可即时使用。

机身内安装了一款专为无人机开发的超高清机载拍摄设备，拥有超小体积和与机身一体化的集成式外观设计，操作起来极其简便13。

万方数据南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论6图1-9AEE无人飞机F502013年4月在雅安地震中F50已经亮相，在灾区现场，空中侦察、航拍受灾情况，搜寻受困人员，监控、防患次生灾害，监测山体、河流等次生灾害，配合空中交通疏导等，高效配合有关部门开展救援工作，实时为新闻媒体提供最新的航拍视频资料，为抗震救灾做出贡献。

图1-10AEE无人飞机F50正在航拍受灾现场另外，于2006年成立的深圳市大疆创新科技有限公司也一直致力于多旋翼无人机的研发创新，研发的主流产品线包括，AceOne系列工业无人直升机飞行控制系统及地面站控制系统，筋斗云系列多旋翼航拍飞行器，包含了高清数字图传的如来系列手持控制一体机等等。

如PHANTOM2VISIO+飞行器，它自带云台，可加载高清摄像机，采用三轴陀螺减震和GPS定点定高技术，飞行稳定、操作简单，又称为会飞的相机。

图1-11大疆PHANTOM2VISIO+四旋翼飞行器万方数据南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论71.3主要研究内容及结构安排1.3.1主要研究内容本课题研究的是基于STM32的四旋翼飞控系统设计，运用PID算法实现系统的自稳定功能，具有遥控飞行和自主飞行两个模式。

加入模式切换功能，在出现故障的时候，由自动模式转换成手动模式，通过手动遥控实现稳定飞行功能。

主要研究内容有：

1、飞控系统的数学建模，硬件模型的构建；2、对各传感器模块研究，并完成数据采集；3、采用四元数法卡尔曼滤波对四旋翼无人机姿态进行解算与数据融合；4、采用PID算法对四旋翼无人机进行姿态控制；5、对飞行器进行地面静态测试实验和空中动态飞行测试实验。

1.3.2论文结构安排全文包括六章，各章主要研究内容如下：

第一章为本课题的绪论部分，首先对课题的研究背景和意义进行了详细的分析，并对四旋翼无人机的国内外研究现状进行了简要的描述，最后对课题的研究内容和工作进行了合理的安排和说明。

第二章为四旋翼无人机的数学建模部分，首先介绍了四旋翼无人机的结构形式和工作原理，描述了四旋翼飞行器的各种飞行动作和姿态。

然后对无人机的建模步骤做了一个简单的介绍。

最后结合简化后的模型建立了四旋翼飞行器的运动学方程。

并进行了系统的控制律设计和仿真分析。

第三章提出了飞控系统的总体设计方案，对控制系统的基本原理做了一个简述。

然后对控制系统的主控制器、姿态传感器、GPS定位、无线通讯等各个硬件模块进行设计。

第四章是整个飞控系统的软件设计模块，首先对控制器软件编程环境做了一个介绍；然后对各传感器进行软件编程设计，采集到数据之后对数据进行卡尔曼滤波。