【正文】 The blade pitchIt of propellers is fixed, changing the rotational speed of the four propellers simply to do plex movement during the flight. Some foreign technology panies, such as Amazon, is the development and utilization of multi rotor aircraft of the express delivery and other automated logistics business, visible it has broad application prospects in military and civil. But the four rotor aircraft control difficult, the difficulty lies in the vehicle has the characteristics of multi variable, nonlinear underactuated, such as plex. Therefore, modeling and control of four rotor aircraft has bee a hot and difficult control field. Four rotor aircraft operations, such as: all the climb and descent, hovering, rolling motion, pitching, yawing movement etc. In this paper, using the Newton Euler model to describe the four rotor aircraft flight attitude. In this paper, limited ability of the author detailed analysis and Research on the four rotor aircraft do not stand structure and dynamics, but to a certain extent, simplifying the mathematical model of four rotor aircraft, in a certain attitude angle in approximation as the linear system, in order to facilitate the use of PID control algorithm for the control of the aircraft in the air of the three Euler angle. This paper presents the system design scheme of four rotor aircraft were designed, according to the function of attitude detection unit, attitude control unit, an execution unit and a simple navigation system unit based on GPS. Commonly used to control the operation of the system can make the aircraft, and can receive and analysis of GPS positioning information need, and storage location coordinates are simply the autonomous navigation, and the simulation on the display and display. This paper mainly with reference to the four rotor open source project, AVR8 SCM and MPU6050IMU module based on Atmega328p are piled and debugged the hardware selection, design and manufacture, circuit software code, and eventually realize the better control results. Key words: Quadcopter。 IIC 總線 。 PID 控制器 。 關(guān)鍵詞 ： 四軸飛行器 。 該系統(tǒng) 能進(jìn)行飛行器的常用控制操作，并能接收并分析出需要的 GPS 定位信息，與存儲的定位坐標(biāo)進(jìn)行簡易地自主導(dǎo)航，并在顯示屏上模擬和顯示。本文限于作者能力未對四旋翼飛行器的機(jī)架結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特性做詳盡的分析和研究 ,而是一定程度上簡化了四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型，在一定姿態(tài)角度內(nèi)近似將其看作線性系統(tǒng)，以方便使用PID 控制算法對飛行器在空中的三個歐拉角進(jìn)行控制。四旋翼飛行器有各種的運(yùn)行狀態(tài) ,比如 :爬升、下降、懸停、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動、俯仰運(yùn)動、偏航運(yùn)動等。但是四旋翼飛行器控制難度較大 ,難點(diǎn)在于飛行器具有欠驅(qū)動、多變量、非線性等比較復(fù)雜的特性。螺旋槳具有固定漿距，飛行過程中只需改變四個軸的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜運(yùn)動?；?APM 飛控技術(shù)的定點(diǎn)投送飛行器 摘要 四軸飛行器是微型無人飛行器的一種，裝有 4個螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉，分為前后和左右兩組 (即對角線上為一組 )。兩組螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相反，可以抵消 反扭力矩。 國外某些科技公司，如亞馬遜，正在開發(fā)研究利用多旋翼飛行器進(jìn)行快遞投送等自動化的物流業(yè)務(wù)，可見其具有廣泛的軍事和民事應(yīng)用前景。因此四旋翼飛行器的建模與控制也 成了控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文采用牛頓 歐拉模型來描述四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)。 本文提出了四旋翼飛行器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，按照功能分別設(shè)計(jì)了姿態(tài)檢測單元、姿態(tài)控制單元、執(zhí)行單元和基于 GPS的簡單導(dǎo)航系統(tǒng)單元。本文主要 參考國際上四旋翼開源項(xiàng)目 ,基于 AVR8位單片機(jī) Atmega328p、MPU6050IMU 模塊進(jìn)行了硬件選型、電路設(shè)計(jì)與制作、軟件代碼的編寫及調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)較好的控制結(jié)果。 APM 飛控 。 ArduCopter 。 GPS導(dǎo)航 。 APM(ArduPilotMega) 。 ArduCopter。而且四旋翼飛行器非常遠(yuǎn)在狹小的空間內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。 作為無人機(jī)中富有生命力的機(jī)型，四軸飛行器還具備無人機(jī)的多種優(yōu)勢。無人機(jī)與普通飛機(jī)相比 ,其結(jié)構(gòu)簡單成本低，便于制造和維護(hù)；由于無人駕駛，因此其有效載荷更大，能夠安裝更多的設(shè)備或武器，完成任務(wù) 的效率和可靠性更高；而且即使出現(xiàn)意外險情也不會危及到飛行員的生命安全，因此廣泛應(yīng)用于各種高風(fēng)險的任務(wù)中。無人機(jī)在戰(zhàn)爭中可以實(shí)施戰(zhàn)場偵査、目標(biāo)定位、單位跟蹤、電子干擾甚至火力支援等任務(wù)。在今后的信息化戰(zhàn)爭中，無人機(jī)必將發(fā)揮著越來越重要的作用。例如，無人機(jī)可以在發(fā)生重大災(zāi)害后實(shí)施偵査、搜尋與救援工作；可以安裝多 種探測設(shè)備用于火災(zāi)、蟲災(zāi)監(jiān)測和地質(zhì)勘探中；還可以攜帶多種科學(xué)設(shè)備進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。按照結(jié)構(gòu)的不同，無人機(jī)可以分為固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)兩種，其中前者又可分為螺旋槳式固定翼無人機(jī)和噴氣式固定翼無人機(jī)兩種，后者又可分為單旋翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)兩種。與固定翼無人 機(jī)相比 ,旋翼無人機(jī)具有能夠向后飛行、垂直起降和懸停的特點(diǎn) ,對起飛、降落場地的條件要求很少 ,控制起來非常靈活 ,能夠滿足多種用途 ,因此旋翼無人機(jī)具有更大的研究價值。而且四旋翼飛行器非常遠(yuǎn)在狹小的空間內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。飛行控制器是四旋翼飛行器最核心的部分，飛行器通過飛行控制器與外界交互并做出反應(yīng)，使得飛行器能夠在沒有外界操縱和干預(yù)的情況下自 主飛行。 國內(nèi)外四軸飛行器自主導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 四旋翼飛行器的發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段。兩架原型機(jī)都是由飛行員直接控制四個螺旋槳轉(zhuǎn)速 ,由于操控過于復(fù)雜 ,進(jìn)行的飛行試驗(yàn)都不是很成 功。 1924 年出現(xiàn)了世界上第一架能夠完成超過一千米距離飛行的四旋翼飛行器Oemidien。 第二階段從 21 世紀(jì)初 開 始至 今。隨著直流 111 機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ,出現(xiàn)了許多體枳小轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩大的直流電機(jī) ,鋰電池技術(shù)的發(fā)展使得鈕 !電池儲能密度加大同時放電電流也變大 ,這就使鋰電池對大功率直流屯動機(jī)的驅(qū)動成為可能。 四旋翼飛行器目前 的研究主要有在高?？蒲袡C(jī)構(gòu)、國際開源項(xiàng)目和科技公司的商業(yè)開發(fā)。開源項(xiàng)目主要有 :德國 MikroKopter項(xiàng)目 ,megapirate,arducopter, multiwii。 此外，更加貼近普通人的是亞馬遜在網(wǎng)站介紹了一個還在亞馬遜下一代 Ramp。 Prime Air 的目標(biāo)是通過無人飛行器向消費(fèi)者派發(fā)快件，派件用時縮減到半小時或更短。亞馬遜所做的事情，就只是輸入收貨地的 GPS坐標(biāo)，裝上貨品，接下來的工作就 不用 他操心了，無人飛行器會在卸貨之后，自動返回庫房 [5]。目前 無人飛行器的研究越來越受追捧，如國外的亞馬孫，國內(nèi)的順豐快遞等物流巨頭正在積極研究無人飛行器的快遞運(yùn)輸功能，以期能夠提供更加快捷的運(yùn)輸服務(wù) 。據(jù)亞馬遜方面的介紹，這些無人飛行器，能夠飛離亞馬遜旗下 96 間庫房 10英里（ 16 千米）遠(yuǎn)的地方送貨。本文擬選取蘭州理工大學(xué)本部校區(qū)為實(shí)驗(yàn)測試區(qū)，基 于 GPS坐標(biāo)定位技術(shù)、信息綜合與決策控制技術(shù)、姿態(tài)檢測與解算技術(shù)、 基于 PID算法 控制 技術(shù)和無線遙控技術(shù)，研究無人飛行器自助導(dǎo)航系統(tǒng)。 在自動飛行模式即 GPS 模式下，控制器 進(jìn)行收集經(jīng)緯度定位坐標(biāo)和衛(wèi)星時間，通過與存儲的目的地坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行比較而進(jìn)行簡單的導(dǎo)航。 研究難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn) 難點(diǎn) 1. 飛行器飛行姿態(tài)的控制 四軸飛行器有四個螺旋槳，即意味著有四個電機(jī)需要控制，根據(jù)動力學(xué)原理，這四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同的情況下，難以維持飛行器的飛行平衡，所以需要控制器能夠?qū)崟r的采集到飛行器的飛行姿態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而經(jīng)過姿態(tài)解算算法轉(zhuǎn)換為 PWM 可調(diào)脈沖數(shù)據(jù)作為電子調(diào)速器的輸入來保持飛行器在飛行過程中的平衡。 3. GPS 定位誤差 利用 GPS 進(jìn)行衛(wèi)星定位和導(dǎo)航的時候，會受到很多干擾，因此如何保證飛行器 飛行 途中獲得 的 GPS定位數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的或者 說 我們?nèi)绾蜗?GPS 導(dǎo)航的定位誤差 是研究的重點(diǎn)。 2. 根據(jù)所搭建的實(shí)驗(yàn)硬件平臺，因地制宜地對開源的 PID 控制算法進(jìn)行改進(jìn)，使飛行器飛行的更加平 穩(wěn)。 (2) 無線遙控模塊 :解碼接收到的無線遙控指令。 (4) 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊 :獲取加速度傳感器和陀螺儀的原始測量數(shù)據(jù)。 (6) 主邏輯模塊 :控制各模塊的執(zhí)行時機(jī)和執(zhí)行頻率 ,并與各模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互并進(jìn)行 PID 制輸出。 無 線 遙 控 模 塊電 機(jī) 驅(qū) 動 模 塊信 息 綜 合 與 決 策 控 制 模 塊G P S 導(dǎo) 航 模 塊姿 態(tài) 解 算 模 塊傳 感 器 數(shù) 據(jù) 采集 模 塊初 始 化 模 塊 圖 21 系統(tǒng)原理圖 整體功能設(shè)計(jì) 系 統(tǒng)感 應(yīng) 層控 制 層 傳 輸 層加 速度 計(jì)陀 螺儀P P MP W MR C無 線收 發(fā)I I C總 線應(yīng) 用 層1 1 2 64 液晶 顯示G P S導(dǎo) 航 圖 22 系統(tǒng)整體功能圖 感應(yīng)層： 此部分 的作用是獲取 MPU6050 中加速度傳感器和陀螺儀的實(shí)時數(shù)據(jù)，核心就是使用 AVR 單片機(jī)自帶的硬件 IIC 模塊和外部模塊通信。 控制層： 傳感器接收機(jī)能夠提供 6路 PPM信號。本設(shè)計(jì)采用 “引腳電平變化中斷 ”來實(shí)現(xiàn) PPM解碼。引腳電平從高到低對應(yīng)高電平結(jié)束，從低到高意味著高電平開始。如此便可以獲得 PPM某通道高電平時間 。 傳輸層： 一個是無線遙控收發(fā)完成對飛行器的飛行控制，接收無線遙控器的接收信號利用PPM解碼原理對其進(jìn)行解碼輸出。 應(yīng)用層： 利用 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)完成飛行器的導(dǎo)航飛行功能，并使用 LCD11264 顯示和輸入飛行坐標(biāo)。 3. 硬件設(shè)計(jì) 整體設(shè)計(jì) 本 設(shè)計(jì)主要由以下模塊組成： (1)核心數(shù)據(jù)處理模塊， (2)GPS 模塊， (3)11264 點(diǎn)陣液晶LCD 模塊， (4)電平轉(zhuǎn)換模塊， (5)遙控接收模塊，（ 6 姿態(tài)檢測模塊，（ 7 執(zhí)行模塊 核心處理器 本 文 設(shè)計(jì)基于意大利開源硬件 Arduino Nano 作為飛行控制、數(shù)據(jù)處理的主要手段。具有 2 個外部中斷口；可以輸出 6 路 PWM 波；具備 SPI、 IIC、 UART 通信功能；具備六路 ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換功能；可支持ISP 在線系統(tǒng)編程； 5V供電并能輸出 5V/3V3 電壓為其它傳感器供電。由于使用的核心 MCU 是 Arduino Nano，對它的編程使用的是所謂 Arduino C，這種 C語言類似于標(biāo)準(zhǔn) C，但是又針對 Arduino Nano系統(tǒng)做了大量的簡化，提供了大量的已經(jīng)寫好的函數(shù)和庫文件，方便調(diào)用 。 圖 31 單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖 GPS 模塊 GPS 硬件介紹 HOLUX M89 GPS 模塊是一款采用 MTK 芯片方案的 GPS 模塊。該模塊的優(yōu)勢是對漂移的處理，功耗在 30 毫安，性價比