【正文】 設(shè)計(jì)中，由于包括遙控器和飛行器兩大部分并且都需要單獨(dú)供電，都有電源部分電路，在這吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 里重點(diǎn)介紹飛行器的電源電路設(shè)計(jì)。 各部分電路設(shè)計(jì) 在 硬件電路設(shè)計(jì)中，對(duì) 以下 幾個(gè)主要的模塊如電源電路、 MCU最小系統(tǒng)電路、無(wú)線通信電路、 MPU6050電路 、 串口調(diào)試電路 、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 等進(jìn)行更加詳細(xì)的介紹。 遙控器硬件電路 除了電源模塊電路，還 包括最小系統(tǒng)電路模塊、吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 串口調(diào)試電路模塊、 ADC電路模塊以及按鍵跟 LED燈模塊。此次設(shè)計(jì)中考慮到可能出現(xiàn)兩種電源同時(shí)接上的情況，所以采用電源開(kāi)關(guān)來(lái)控制電源輸入類(lèi)型。 由圖 31可以清晰 看出，遙控器供電有兩種供電方式，一 種 是 采用 供電，第二種 是通過(guò) Micro USB 電源線 供電 。 此時(shí)不需要 去 知道每個(gè)模塊 的內(nèi)部 連接，知道模塊有哪些可用的 接口就可以。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所有硬件設(shè)計(jì)部分包括原理圖和 PCB 部分都是使用 Altium Designer Summer 09 來(lái)完成的。吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 第 3 章 系統(tǒng) 硬件電路設(shè)計(jì) Altium Designer Summer 09 簡(jiǎn)介 Altium Designer是目前國(guó)內(nèi)最流行的通用 EDA軟件， Altium Designer Summer 09是 Altium公司在 2020年發(fā)布的版本，它將電路原理圖設(shè)計(jì)、 PCB版圖設(shè)計(jì)、電路仿真、 PLD 設(shè)計(jì)以及 FPGA 設(shè)計(jì)等多個(gè)實(shí)用工具組合起來(lái)構(gòu)成 EDA 工作平臺(tái)，是第一個(gè)將 EDA軟件設(shè)計(jì)成基于 Windows 的普及型產(chǎn)品。遙控器程序設(shè)計(jì)主要包括有無(wú)線 NRF24L01發(fā)送、 ADC電壓采集之后的處理、顯示器驅(qū)動(dòng)顯示、讀取按鍵狀態(tài)以及 LED燈指示等 ，涉及軟件包括 SPI通信協(xié)議、 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、I/O口驅(qū)動(dòng)等。 6. LED狀態(tài)指示 在硬件電路設(shè)計(jì)中， LED 首先必須要有電源指示燈，判斷系統(tǒng)是否上電；其次 需要有信號(hào)指示燈，指示遙控器和飛行器是否通信；最后就是狀態(tài)顯示 LED燈顯示飛行器狀 態(tài)等等。 5. 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分主要是 MCU通過(guò)控制 PWM然后控制 MOS管打開(kāi)和閉合作為開(kāi)關(guān)從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 4. 慣性測(cè)量單元 慣性測(cè)量單元主要是在飛行器飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)姿態(tài)的傳感器，對(duì)于飛行 器想要平穩(wěn)飛行來(lái)說(shuō)具有極其重要的作用 。 3. 通信模塊 通信模塊在 整個(gè)系統(tǒng)中起著信號(hào)交流的作用，遙控器通過(guò) MCU 讀取的按鍵信息以及油門(mén)方向值發(fā)送到飛行器端，飛行器端接收到之后做出相應(yīng)的動(dòng)作。 2. 電源模塊 電源模塊起著為系統(tǒng)充能量的作用，任何電子系統(tǒng)沒(méi)有了電源，系統(tǒng)肯定會(huì)癱瘓，所以電源起著至關(guān)重要的作用。 飛行器M C U( L P C 1 5 4 9 )電源n R F 24 L 01無(wú)線模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)慣性測(cè)量單元狀態(tài)指示 L E D電池電量監(jiān)控遙控器M C U( L P C 1 5 4 9 )電源n R F 24 L 01無(wú)線模塊狀態(tài)指示 L E D搖桿控制液晶顯示模塊蜂鳴器按鍵串口調(diào)試程序下載串口調(diào)試程序下載復(fù)位與時(shí)鐘 圖 21 系統(tǒng) 硬件 總體框圖 各部分功能作用 1. MCU控制中心 MCU是飛行器和遙控器的控制中心，是它們的大腦，主要功能是收集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)并且做出指示。 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(guò) 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(gè)部分 ： 一是 ，二是電池穩(wěn)壓到 。飛行器螺旋槳主要提供三個(gè)作用，一是提 供升力，保證飛行器能處于飛行狀態(tài)；另一個(gè)是四個(gè)螺旋槳分為兩兩 對(duì)稱(chēng)布置，單軸對(duì)稱(chēng)布置正反螺旋槳葉，互相抵消螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的力矩；此外，可以通過(guò)調(diào)整每個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速，達(dá)到飛行姿態(tài)控制。飛行器外形設(shè)計(jì)為十字架形狀，通過(guò) 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。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。 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(wú)線遙控，遙控器顯示器實(shí)時(shí)顯示四軸飛行器的狀態(tài)，并且能實(shí)現(xiàn)懸停。 系統(tǒng)采用遙控器無(wú)線控制，遙控器端主控芯片采集 AD 值和按鍵動(dòng)作信號(hào)，通過(guò)NRF24L01 無(wú)線傳輸給飛行器，飛行器端的 NRF24L01 接收到信號(hào)之后主控器進(jìn)行信號(hào)收集，飛行器在接收無(wú)線信號(hào)的同時(shí)，還要接收自身姿態(tài)傳感器 MPU6050讀出來(lái)的值，通過(guò)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(wú)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(gè)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(lái)達(dá)到遙控的目的。 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 本文主要研究?jī)?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。 ”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(lái)，更多的飛行器被制造出來(lái)，更多的想法也會(huì)被創(chuàng)造出來(lái)，這樣更大的市場(chǎng)也 會(huì)形成。就像 iPhone重新定義了手機(jī)一樣，我們也可以毫不夸張地說(shuō) Phantom+GoPro重新定義了航拍，也重新定義了相機(jī)。更重要的是，當(dāng)時(shí)利用 GoPro運(yùn)動(dòng)相機(jī)拍攝極限運(yùn)動(dòng)已經(jīng)成為歐美國(guó)家的時(shí)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。 Phantom與 ，新手學(xué)習(xí)多半個(gè)小時(shí)就可以自由飛行。隨著 DJI Phantom在 2020年 1月的推出，四旋翼飛行器市場(chǎng)的 形勢(shì)發(fā)生了巨大的變化。 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。 在國(guó)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(jiǎn)稱(chēng)DJI)，早年 DJI專(zhuān)注在直升機(jī)自動(dòng)控制器上。這一場(chǎng)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(wàn)次觀看，是 TED成百上千個(gè)演講中瀏覽量最高的演講之一。在玩具這個(gè)尺寸上，多旋翼飛行器的優(yōu)勢(shì)就顯示出來(lái)了，同尺寸的固定翼基本飛不起來(lái)，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(méi)法低成本地制作出穩(wěn)定的產(chǎn)品。作為一個(gè)高科技玩具，它的性能非常優(yōu)秀：輕便、靈活、安全、控制簡(jiǎn)單，還能通過(guò)傳感器懸停，用 WIFI傳送相機(jī)圖像到手機(jī)上。如上所述，最初的一段時(shí)間主要是學(xué)術(shù)研究人員研究四旋翼。一時(shí)間研究者趨之若鶩，紛紛開(kāi)始多旋翼飛行器的研發(fā)和使用。 因此，直到 2020年左右，真正穩(wěn)定的多旋翼無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制器才被制作出來(lái)。這些算法以及自動(dòng)控制器本身通常需要速度比較快的單片機(jī)來(lái)運(yùn)行，于是人們又等了一些年時(shí)間，等速度比較快的單片機(jī)誕生。 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(lái)，使得多旋翼飛行器的自動(dòng)控制器可以制作了。同時(shí)，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(méi)有人愿意多花功夫去研究多旋翼飛行器這個(gè)棘手的問(wèn)題。那時(shí)欠缺的技術(shù)主要是慣性測(cè)量和控制器的缺陷，那時(shí)候的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一般是十幾公斤的大鐵疙瘩。 近年來(lái)，很多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)四軸飛行器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)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(gè)具有廣闊前景的研究課題。通過(guò)攜帶特定的功能檢測(cè)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。它們能夠在士兵的操控下進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)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)。 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(gè)對(duì)稱(chēng)旋翼的直升機(jī)（如圖 11），具有垂直起降、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱方便及機(jī)動(dòng)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。 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。 關(guān)鍵詞 四軸飛行器； PID自動(dòng)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。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、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。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。 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 .........................................................................................