【正文】 四旋翼無人機設(shè)計與制作四旋翼無人機設(shè)計與制作畢業(yè)論文目 錄摘 要 IAbstract II1 緒論 1 研究背景及意義 1 國內(nèi)外四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀 1 1 3 本文研究內(nèi)容和方法 42 四旋翼飛行器工作原理 5 四旋翼飛行器的飛行原理 5 四旋翼飛行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 53 四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)設(shè)計 7 微慣性組合系統(tǒng)傳感器組成 7 MEMS陀螺儀傳感器 7 MEMS加速度計傳感器 7 三軸數(shù)字羅盤傳感器 8 姿態(tài)測量系統(tǒng)傳感器選型 8 電源系統(tǒng)設(shè)計 10 其它硬件模塊 10 無線通信模塊 10 電機和電機驅(qū)動模塊 11 機架和螺旋槳的選型 12 遙控控制模塊 134 四旋翼飛行器姿態(tài)參考系統(tǒng)設(shè)計 14 姿態(tài)參考系統(tǒng)原理 14 傳感器信號處理 15 加速度傳感器信號處理 15 陀螺儀信號處理 15 電子羅盤信號處理 16 坐標系 16 姿態(tài)角定義 17 四元數(shù)姿態(tài)解算算法 18 校準載體航向角 265 四旋翼飛行器系統(tǒng)軟件設(shè)計 28 系統(tǒng)程序設(shè)計 28 姿態(tài)參考系統(tǒng)軟件設(shè)計 28 PID控制算法設(shè)計 29結(jié)論 31參 考 文 獻 32緒論 研究背景及意義 隨著MEMS傳感器、無刷電機、單片機以及鋰電池技術(shù)的發(fā)展，四旋翼飛行器現(xiàn)在已經(jīng)成為航模界的后起之秀。與固定翼飛行器相比之下四旋翼飛行器具有結(jié)構(gòu)簡單，控制起來非常方便，能夠垂直起降，成本非常的低、穩(wěn)定性也高，機動性非常強等特點。在民用可以代替有人機完成一些任務(wù)，在軍事上有很強的戰(zhàn)場生存能力。因此在這些領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如軍事偵查、農(nóng)林業(yè)調(diào)查、災(zāi)害檢測、輸電線巡查、玩具航模、航拍、氣象探測等。四旋翼飛行器的飛行原理雖然簡單，但是涉及到的知識面非常的廣[[] [D].南京信息工程大學(xué),2012]，從機體結(jié)構(gòu)的設(shè)計、傳感器濾波算法、控制系統(tǒng)的設(shè)計和軟件的設(shè)計都需要理論的支持。本次設(shè)計針對四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)進行更深入的研究，它的研究將推動中國四旋翼飛行器的研究發(fā)展，為四旋翼飛行器在環(huán)境保護、氣象、火災(zāi)、偵查追蹤等民用和軍用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化作出突出貢獻。廉價并且高性能的飛行器的研究將會擁有巨大的經(jīng)濟效益，能夠?qū)ξ覈目蒲惺聵I(yè)起到巨大的推動作用。 國內(nèi)外四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀目前國外四旋翼飛行器的研究也是主要集中在飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的新的理論的研究,比如：神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制算法、模糊自適應(yīng)控制算法等。國外還在四旋翼飛行器的自主飛行以及多機協(xié)同運作等方面有很多研究。下面對一些四旋翼飛行器進行簡單的介紹：首先非常具有代表性的是美國Draganflyer公司研發(fā)出來的Draganflyer系列四旋翼飛行器[[] [D].天津大學(xué),2012]。這種四旋翼飛行器主要使用碳纖材料制作，因其載重能力強能攜帶高清攝像機，因此主要用途為航拍。，使用MEMS高精度姿態(tài)傳感器，并且配備多種傳感器和攝像頭，[[] [D].哈爾濱工程大學(xué),2013]。德國在四旋翼飛行器研究方面也具有較高的水平，德國的MicroDrones公司推出的一款四旋翼飛行器MD4200[[] [D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009]。該型號飛行器采用全碳纖工藝制作，負載能力強，而且非常省電。該型號飛行器配備有GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和攝像設(shè)備，能夠很輕松的在室內(nèi)和室外執(zhí)行航拍任務(wù)。 DraganflyerX4四旋翼飛行器 圖 現(xiàn)在許多科研院所已開始開展四旋翼飛行器相關(guān)科研項目，主要是針對四旋翼飛行器系統(tǒng)建模的研究和四旋翼飛行器飛行功能的實現(xiàn)。美國賓夕法尼亞大學(xué)GRASP實驗室設(shè)計出了一種能夠編隊飛行的四旋翼無人機飛行器，在這些飛行器上都安裝有光源，通過安裝在室內(nèi)墻壁上的攝像頭設(shè)備進行拍攝，從而確定飛行器的空間位置并且對其進行編隊飛行控制操作。麻省理工學(xué)院設(shè)計的一款可以在室內(nèi)進行地圖測繪，定位和壁障的四旋翼無人飛行器系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過激光雷達對周圍環(huán)境進行測量，而且能夠自動生成三維地圖數(shù)據(jù)，并且根據(jù)周圍的環(huán)境進行自主壁障和飛行路徑規(guī)劃，可以用于為危險環(huán)境的探測和搜救。圖 德國MD4200四旋翼飛行器 圖 賓夕法尼亞大學(xué)四旋翼編隊飛行現(xiàn)今四旋翼飛行器的研究在國內(nèi)逐漸發(fā)展壯大并且已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)。目前國內(nèi)己經(jīng)有許多公司(如Dj大疆公司)將四旋翼飛行器應(yīng)用于商業(yè)化。圖 麻省理工學(xué)院四旋翼飛行器 圖 大疆四旋翼飛行器目前對四旋翼飛行器的研究主要集中在以下幾個方面：(1)四旋翼飛行器的姿態(tài)控制。四旋翼飛行器研究的最主要技術(shù)難點在于對飛行姿態(tài)的控制。因其旋翼多，因此四旋翼飛行器比傳統(tǒng)的直升機控制起來復(fù)雜。目前該領(lǐng)域的研究方向主要集中在飛行器的數(shù)學(xué)建模、控制算法和濾波算法。目前主要的研究算法有剛體旋轉(zhuǎn)理論、非線性濾波法、四元數(shù)、捷聯(lián)慣導(dǎo)算法、PID控制算法、模糊自適應(yīng)控制等。(2)適合于四旋翼飛行器的新的傳感器技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外逐漸出現(xiàn)了通用的整合于一體的傳感器模塊，例如MPU6050傳感器就是把加速度計和陀螺儀集成在一起。(3)電機和電池領(lǐng)域的發(fā)展。近些年來，無刷電機和空心杯電機的進一步普及和應(yīng)用于四旋翼飛行器上，四旋翼飛行器的動力得到了很大程度的提高。鋰電池和燃料電池的出現(xiàn)和應(yīng)用大大增加了飛行器的續(xù)航能力。(4)GPS的發(fā)展。隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展壯大，GPS也逐漸應(yīng)用于旋翼飛行器，人們可以不用害怕飛行器故障之后會不會找不到，因為我們可以用GPS進行衛(wèi)星定位，而且還可以設(shè)置航點，實現(xiàn)飛行器的自主飛行。(5)無線傳輸模塊的發(fā)展。現(xiàn)如今無線傳輸可以應(yīng)用的范圍越來越廣泛，藍牙、WIFI等無線傳輸方式越來越被普遍應(yīng)用到飛行器上，從而實現(xiàn)手機的遙控控制。 本文研究內(nèi)容和方法本文研究基于MEMS傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng)，通過對姿態(tài)測量傳感器數(shù)據(jù)的分析，設(shè)計出了有效去噪的濾波方法；通過大量的查找資料對姿態(tài)解算算法和數(shù)據(jù)融合算法有了更深的理解，最后應(yīng)用于設(shè)計的飛行控制器上實現(xiàn)了姿態(tài)角的測量。最后通過大量的實驗驗證了它們的準確性，實驗數(shù)據(jù)和曲線驗證了該姿態(tài)參考系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，具有很好地工作性能。本文一共分為五章，主要內(nèi)容安排如下：第一章緒論部分主要介紹了該項目的研究背景及意義、四旋翼飛行器在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。第二章主要介紹了四旋翼飛行器的飛行原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架。第三章詳細介紹了四旋翼無人機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計的工作。介紹了MEMS傳感器的原理、特性和型號的選擇和硬件電路圖。飛行器控制芯片選擇STM32，外圍電路包括有姿態(tài)測量系統(tǒng)、電源模塊、無線通訊、串口通訊、電機驅(qū)動、遙控器控制電路、GPS模塊。 第四章說明了姿態(tài)參考系統(tǒng)的核心算法捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法的研究和實現(xiàn)過程。第五章針對軟件實現(xiàn)部分進行了介紹，給出了編程的軟件流程圖和串級PID控制和定高控制方法。最后對本次設(shè)計進行了總結(jié)，提出了不足之處并對今后的研究工作進行了展望。2 四旋翼飛行器工作原理 四旋翼飛行器的飛行原理四旋翼飛行器有兩種模式，也就是X字模式（）和十字模式（）。其實這兩種模式差別