【正文】 畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的四軸飛行器 夏 純 吉 林 建 筑 大 學(xué) 2020年 6月 畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的四軸飛行器 學(xué) 生： 夏 純 指 導(dǎo) 教 師： 許 亮 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程 所 在 單 位： 電氣與電子信息工程學(xué)院 答 辯 日 期： 2020 年 6月 目 錄 摘 要 .................................................................................................................................I ABSTRACT .................................................................................................................... II 第 1章 緒論 .................................................................................................................... 1 論文研究背景及意義 ....................................................................................... 1 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況 ........................................................................................... 2 本文主要研究?jī)?nèi)容 ........................................................................................... 4 第 2章 總體方案設(shè)計(jì) .................................................................................................... 5 總體設(shè)計(jì)原理 ................................................................................................... 5 總體設(shè)計(jì)方案 ................................................................................................... 5 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案 ........................................................................ 5 各部分功能作用 .................................................................................... 6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案 ................................................................................ 7 第 3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ............................................................................................ 8 Altium Designer Summer 09 簡(jiǎn)介 ..................................................................... 8 總體電路設(shè)計(jì) ................................................................................................... 8 遙控器總體電路設(shè)計(jì) ............................................................................ 8 飛行器總體電路設(shè)計(jì) .......................................................................... 10 各部分電路設(shè)計(jì) ............................................................................................. 10 電源電路設(shè)計(jì) ...................................................................................... 10 主控單元電路 設(shè)計(jì) .............................................................................. 12 無(wú)線(xiàn)通信模塊電路設(shè)計(jì) ...................................................................... 13 慣性測(cè)量單元電路設(shè)計(jì) ...................................................................... 16 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) .............................................................................. 18 串口調(diào)試電路設(shè)計(jì) .............................................................................. 19 PCB設(shè)計(jì) .......................................................................................................... 21 PCB設(shè)計(jì)技巧規(guī)則 ............................................................................... 21 PCB設(shè)計(jì)步驟 ....................................................................................... 22 PCB外形設(shè)計(jì) ....................................................................................... 23 實(shí)物介紹 ......................................................................................................... 25 第 4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .................................................................................................. 27 Keil ......................................................................................... 27 Keil MDK概述 ..................................................................................... 27 Keil MDK功能特點(diǎn) ............................................................................. 27 軟件設(shè)計(jì)框圖 ................................................................................................. 28 軟件調(diào)試仿真 ................................................................................................. 29 飛控軟件設(shè)計(jì) ................................................................................................. 30 MPU6050數(shù)據(jù)讀取 .............................................................................. 30 姿態(tài)計(jì)算 IMU ..................................................................................... 32 PID電機(jī)控制 ........................................................................................ 32 結(jié) 論 .............................................................................................................................. 36 致 謝 .............................................................................................................................. 38 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 39 附錄 1 遙控器主程序源代碼 ....................................................................................... 40 附錄 2 飛行器主程序源代碼 ....................................................................................... 45 附錄 3 遙控 器原理圖 ................................................................................................... 50 附錄 4 飛行器原理圖 ................................................................................................... 51 I 摘 要 四軸飛行器具備 VTOL(Vertical TakeOff and Landing，垂直起降 )飛行器的所有優(yōu)點(diǎn)，又具備無(wú)人機(jī)的造價(jià)低、可重復(fù)性強(qiáng)以及事故代價(jià)低等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。可應(yīng)用于軍事上的地面戰(zhàn)場(chǎng)偵察和監(jiān)視，獲取不易獲取的情報(bào)。能夠執(zhí)行禁飛區(qū)巡邏和近距離空中支持等特殊任務(wù)，可應(yīng)對(duì)現(xiàn)代電子戰(zhàn)、實(shí)現(xiàn)通信中繼等現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)模式。在民用方面可用于災(zāi)后搜救、城市交通巡邏與目標(biāo)跟蹤等諸多方面。工業(yè)上可以用在安全巡檢，大型化工現(xiàn)場(chǎng)、高壓輸電線(xiàn)、水壩、大橋和地震后山區(qū)等人工不容易到達(dá)空間進(jìn)行。 本設(shè)計(jì)主要包括遙控器和飛行器兩大部分， 其 中央處理 器 CPU 均采用 基于32位 ARM CorexM3 內(nèi)核的 NXP LPC1549，時(shí)鐘頻率為 72MHz；飛行器與遙控器之間的無(wú)線(xiàn)通信采用 通信頻段的 NRF24L01 模塊， NRF24L01 模塊與MCU 之間通過(guò) SPI 協(xié)議以 1MHz的通信速率通信；飛行器端搭載有 3 軸加速度計(jì)與三軸陀螺儀融合一體的 MPU6050 慣性測(cè)量單元作為姿態(tài)歐拉角測(cè)量單元，MPU6050與飛行器 MCU之間通過(guò) I2C協(xié)議以 400Hz的頻率進(jìn)行通信；飛行器端MCU通過(guò) 接收無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)以及 采集 MPU6050數(shù)據(jù)通過(guò)四元數(shù)互補(bǔ)濾波計(jì)算 出的歐拉角，再 進(jìn)行電機(jī) PID自動(dòng)控制 ， 最終以 20KHz的 PWM通過(guò) MOS管 來(lái)驅(qū)動(dòng)空心杯 820直流有刷電機(jī)，得以實(shí)現(xiàn)遙控四軸飛行器的設(shè)