【正文】 計(jì)。 關(guān)鍵詞 四軸飛行器； PID自動控制； MPU6050； PWM II ABSTRACT Fouraxis aircraft equipped with VTOL (Vertical TakeOff and Landing, vertical take off and landing) aircraft with all the advantages, and UAV39。s low cost strong, repeatable, and low accident costs, has broad application prospects. Can be used in military battlefield reconnaissance and surveillance, access is not easy to get information. Able to perform special tasks such as patrolling the no fly zone and close air support, could cope with modern electronic warfare, munications relay of modern warfare. In civil use can be used for postdisaster rescue, traffic patrol and tracking, and many other aspects of the city. Can be used in a safety inspection on the industrial, largescale chemical sites, highvoltage power lines, dams, bridges and artificial mountain after the earthquake are not easy to reach space. This design includes two remote controls and aircraft parts, central processing unit CPU using of 32ARM NXP CorexM3 kernel LPC1549,clock frequency is 72MHz。 Wireless munication munication with the remote control of aircraft band NRF24L01 module NRF24L01 module between the MCU and 1MHz munication speed through the SPI protocol munications。 Aircraft end carrying a 3axis accelerometer and integrating threeaxis gyro MPU6050 inertial measurement unit as a gesture of Euler angle measurement unit,MPU6050 aircraft between the MCU municates through the I2C Protocol with400Hz frequency。 Aircraft endMCU by receiving wireless data MPU6050 data collected by Quaternion plementary filters calculate the Euler angles. PID motor control, ultimately 20KHz PWM drive through the MOS tube hollow glass 820 DC brush motor, remote control design of four axis aircraft. Keywords Quadrocopter； PID Auto control； MPU6050； PWM吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1 章 緒論 論文研究背景及意義 圖 11 典型四軸飛行器 四軸飛行器是一種具有 4 個對稱旋翼的直升機(jī)（如圖 11），具有垂直起降、結(jié)構(gòu)簡單、操縱方便及機(jī)動靈活等優(yōu)點(diǎn)，在飛行器上掛載攝像頭等模塊能夠?qū)崿F(xiàn)許多實(shí)用功能。在實(shí)際應(yīng)用方面，以四軸飛行器為代表的小型無人機(jī)在執(zhí)行軍事任務(wù)時具有很大的優(yōu)勢。它們能夠在士兵的操控下進(jìn)行戰(zhàn)場上近距離、小范圍、復(fù)雜地形環(huán)境的敵情偵 察，還可以用作通信聯(lián)系工具或者指示目標(biāo)機(jī)，甚至還能裝上彈藥直接執(zhí)行戰(zhàn)略攻擊任務(wù)。在民用與工業(yè)領(lǐng)域，四軸飛行器也具有廣泛的應(yīng)用前景。通過攜帶特定的功能檢測模塊，四軸飛行器可以感知危險(xiǎn)區(qū)域的有毒物質(zhì)濃度或核輻射強(qiáng)度等。微型四軸無人飛行器可以自主完成上述任務(wù)，不僅節(jié)約成本，而且大大簡化了人力勞動，也在人類無法到達(dá)的危險(xiǎn)、危害環(huán)境可以完全代替人類工作。 近年來，很多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)通過對四軸飛行器進(jìn)行動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)分析，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，提出了各種控制算法，并設(shè)計(jì)了飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證；加上傳感器技術(shù)和控制理論的 不斷發(fā)展，尤其是微電子和微機(jī)械技術(shù)的逐步成熟，使四軸飛行器的飛行控制成為了一個具有廣闊前景的研究課題。 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 國內(nèi)外的發(fā)展情況 早在二戰(zhàn)時，載人四軸的原型機(jī)已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來，但因?yàn)榭刂萍夹g(shù)還跟不上，飛行器因不穩(wěn)定而無法投入實(shí)際應(yīng)用。那時欠缺的技術(shù)主要是慣性測量和控制器的缺陷，那時候的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一般是十幾公斤的大鐵疙瘩。為了把這么重的東西放到一個多旋翼飛行器上，飛行器的載荷必須很大，可是人們發(fā)現(xiàn)，不管是用油機(jī)還是電機(jī)做多旋翼飛行器的動力系統(tǒng)，都很難得到足夠的載荷。同時，因?yàn)楣潭ㄒ砗椭鄙龣C(jī)已經(jīng)很夠?qū)嶋H使用了， 所以沒有人愿意多花功夫去研究多旋翼飛行器這個棘手的問題。很長一段時間里，只有美國一些研發(fā)性的項(xiàng)目做出了多旋翼飛行器的樣機(jī)。 20世紀(jì) 90年代之后，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（ MEMS）研究的成熟，幾克重的 MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)被制作了出來，使得多旋翼飛行器的自動控制器可以制作了。但是MEMS 傳感器數(shù)據(jù)噪音很大，不能直接讀出來用，于是人們又花了一些年的時間研究 MEMS去噪聲的各種數(shù)學(xué)算法。這些算法以及自動控制器本身通常需要速度比較快的單片機(jī)來運(yùn)行，于是人們又等了一些年時間，等速度比較快的單片機(jī)誕生。接著人們再花了若干年的時 間理解多旋翼飛行器的非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給它建模、設(shè)計(jì)控制算法、實(shí)現(xiàn)控制算法。 因此，直到 2020年左右，真正穩(wěn)定的多旋翼無人機(jī)自動控制器才被制作出來。之前一直被各種技術(shù)瓶頸限制住的多旋翼飛行器系統(tǒng)突然出現(xiàn)在人們視野中，大家驚奇地發(fā)現(xiàn)居然有這樣一種小巧、穩(wěn)定、可垂直起降、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單的飛行器存在。一時間研究者趨之若鶩，紛紛開始多旋翼飛行器的研發(fā)和使用。 四旋翼飛行器是多旋翼飛行器中最簡單最流行的一種。如上所述，最初的一段時間主要是學(xué)術(shù)研究人員研究四旋翼。四旋翼飛行器最早出現(xiàn)在公眾視野可能要追溯到 2020年的著名 印度電影《三傻大 鬧 寶萊塢》，到了 2020年，法國 Parrot公司發(fā)布了世界上首款流行的四旋翼飛行器 。作為一個高科技玩具，它的性能非常優(yōu)秀：輕便、靈活、安全、控制簡單，還能通過傳感器懸停，用 WIFI傳送相機(jī)圖像到手機(jī)上。 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 的流行讓四旋翼飛行器開始廣泛進(jìn)入人類社會。在玩具這個尺寸上，多旋翼飛行器的優(yōu)勢就顯示出來了，同尺寸的固定翼基本飛不起來，而同尺寸的直升機(jī)因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根本沒法低成本地制作出穩(wěn)定的產(chǎn)品。 2020年 2月，賓夕法尼亞大學(xué)的 VijayKumar 教授在 TED上做出 了四旋翼飛行器發(fā)展歷史上里程碑式的演講。這一場充滿數(shù)學(xué)公式的演講居然大受歡迎，迄今已經(jīng)有三百多萬次觀看，是 TED成百上千個演講中瀏覽量最高的演講之一。自此之后，四旋翼飛行器受到的關(guān)注度迅速提升，成為了新的商業(yè)焦點(diǎn)。 在國內(nèi)，四軸飛行器發(fā)展于深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公 (DJInnovations，簡稱DJI)，早年 DJI專注在直升機(jī)自動控制器上。不過在 2020年， 讓 DJI開始考慮四旋翼飛行器產(chǎn)品。 2020年 DJI相繼推出了風(fēng)火輪系列四旋翼機(jī)架、悟空四旋翼飛控和 S800六旋翼飛行器。當(dāng)時 ，在 的引領(lǐng)下，全球范圍內(nèi)都有一股將四旋翼商業(yè)化的熱潮 ， DJI只是眾多小四旋翼公司中稍微出眾的一個。隨著 DJI Phantom在 2020年 1月的推出，四旋翼飛行器市場的 形勢發(fā)生了巨大的變化。 “Phantom”在英語里有幻影、精靈的意思，它優(yōu)雅的白色流線型外形也確實(shí)配得上精靈這個稱呼。 Phantom與 ，新手學(xué)習(xí)多半個小時就可以自由飛行。 Phantom尺寸比 大的多，抗風(fēng)性更好，還具有內(nèi)置 GPS導(dǎo)航功能，可以在戶外很大的范圍內(nèi)飛行。更重要的是，當(dāng)時利用 GoPro運(yùn)動相機(jī)拍攝極限運(yùn)動已經(jīng)成為歐美國家的時尚，而 Phantom提供了掛載 GoPro的連接架，讓用 GoPro相機(jī)的人們有了從天空向下的拍攝視角。特別地，與傳統(tǒng)的飛機(jī)和直升機(jī)航拍不同，多旋翼系統(tǒng)小巧靈活，能讓拍攝者自由地控制角度和距離。就像 iPhone重新定義了手機(jī)一樣，我們也可以毫不夸張地說 Phantom+GoPro重新定義了航拍，也重新定義了相機(jī)。 “人類對飛行的夢想是與生俱來的。 ”你已經(jīng)看到人們的創(chuàng)意如何在一兩年之內(nèi)被四旋翼點(diǎn)燃起來，更多的飛行器被制造出來，更多的想法也會被創(chuàng)造出來，這樣更大的市場也 會形成。我相信在未來的十年之內(nèi)，無人機(jī)行業(yè)會逐步壯大，我們今天產(chǎn)生的所有想法基本都會實(shí)現(xiàn)，更多的想法也會逐步被實(shí)現(xiàn)，利用無人機(jī)的應(yīng)用越來越多，無人機(jī)將會變成我們生活不可或缺的部分。 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 本文主要研究內(nèi)容 本設(shè)計(jì)主要包括遙控器的設(shè)計(jì)和飛行器的設(shè)計(jì)，遙控器是飛行器的遠(yuǎn)程控制單元。在設(shè)計(jì)過程中，兩大部分均采用以 ARM CortexM3 為內(nèi)核的 NXP LPC1549作為中央處理器，飛行器端利用 3軸陀螺儀、 3軸加速度計(jì)融合一體的 MPU6050慣性測量單元作為姿態(tài)傳感器，最終實(shí)現(xiàn)懸停、自轉(zhuǎn)、前后左右移動等操作功能 。 系統(tǒng)采用遙控器無線控制，遙控器端主控芯片采集 AD 值和按鍵動作信號，通過NRF24L01 無線傳輸給飛行器，飛行器端的 NRF24L01 接收到信號之后主控器進(jìn)行信號收集，飛行器在接收無線信號的同時，還要接收自身姿態(tài)傳感器 MPU6050讀出來的值，通過四元數(shù)濾波算法， PID 控制算法，得到姿態(tài)角度值，最終把自身的數(shù)據(jù)和無線接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理傳送給飛行器四個電機(jī)的 PWM 控制I/O口，從而使得飛行器在保持平穩(wěn)的狀態(tài)下被遙控器控制，以此來達(dá)到遙控的目的。當(dāng)然，飛行器的狀態(tài)也可以通過無線發(fā)送到遙控器端，遙控器通過顯 示器可以清晰的觀察當(dāng)前的狀況。 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)作品為小型四軸飛行器，從原理圖設(shè)計(jì)到 PCB設(shè)計(jì)再到焊接調(diào)試都是自己獨(dú)立完成，最終期望達(dá)到的目的是實(shí)現(xiàn)無線遙控，遙控器顯示器實(shí)時顯示四軸飛行器的狀態(tài)，并且能實(shí)現(xiàn)懸停。吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)原理 本次設(shè)計(jì)硬件部分主要包括遙控器和飛行器兩大部分，主控芯片均采用 32位基于 ARM Cortex3的 NXP LPC1549處理器，遙控器和飛行器之間通信采用 民用無線通信頻段的 NRF24L01模塊，模塊與 MCU之間通過硬件 SPI采用 1MHz的速率通信。遙 控器外形設(shè)計(jì)似游戲手柄，直接用 PCB電路板打樣后作為遙控器外形。遙控器通過采集蘑菇頭搖桿電位器 ADC 電壓值以及按鍵狀態(tài)發(fā)送給飛行器。飛行器外形設(shè)計(jì)為十字架形狀，通過 CAD 繪制外形導(dǎo)入到 Altium Designer軟件里 KeepOut Layer 層作為飛行器切割外框。飛行器軟件設(shè)計(jì)主要是 MCU 通過硬件 I2C采用 400KHz的速率讀取 MPU6050的數(shù)據(jù)，并定時利用慣性測量單元（ IMU）姿態(tài)獲取技術(shù)，然后通過 PID電機(jī) 自動 控制算法，把 PID輸出量跟無線接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最終通過輸出 PWM 來控制高速空心杯 直流有刷電機(jī)來實(shí)現(xiàn)各種飛行狀態(tài)。飛行器螺旋槳主要提供三個作用，一是提 供升力，保證飛行器能處于飛行狀態(tài)；另一個是四個螺旋槳分為兩兩 對稱布置，單軸對稱布置正反螺旋槳葉，互相抵消螺旋槳旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的力矩；此外，可以通過調(diào)整每個螺旋槳轉(zhuǎn)速，達(dá)到飛行姿態(tài)控制。飛行姿態(tài)控制是四軸飛行器設(shè)計(jì)核心部分之一。 總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)采用 NXP LPC1549微控制器作為 MCU，并且均采用 作為電源為系統(tǒng)供電 ， 電池通過 CAT2829芯片穩(wěn)壓到 MCU以及外設(shè)供電，飛 行器供電比較特殊，其供電分為兩個部分 ： 一是 ，二是電池穩(wěn)壓到 。遙控器端的主要硬件部分包括最小系統(tǒng)、無線 NRF2L01 模塊 、程序下載、 ADC 采集、液晶顯示器、蜂鳴器、 LED 指示燈以及串口調(diào)試，飛行器端硬件主要部分有最小系統(tǒng)、程序下載，無線 NRF2L01吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 模塊、電機(jī)驅(qū)動、慣性測量單元 MPU6050 以及 LED 驅(qū)動電路，其系統(tǒng)總體框圖如圖 21所示。 飛行器M C U( L P C 1 5 4 9 )電源n R