四旋翼飛行器[文書(shū)特制]

1、武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 課題名稱：四旋翼飛行器的研究與設(shè)計(jì) 完成期限： 2014年3月1日至2014年6月6日 院系名稱 電子與電子工程學(xué)院 指導(dǎo)教師 田裕康專業(yè)班級(jí) 電氣102 指導(dǎo)教師職稱 講師 學(xué)生姓名 喻威 院系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作領(lǐng)導(dǎo)小組組長(zhǎng)簽字 一、課題訓(xùn)練內(nèi)容1. 使學(xué)生進(jìn)一步鞏固和加深對(duì)基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)與掌握，使之系統(tǒng)化、綜合化。2. 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能進(jìn)行分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，將理論與實(shí)踐結(jié)合。3. 培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)計(jì)算、工程繪圖、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理、文件編輯、文字表達(dá)、文獻(xiàn)查閱、Microsoft Office、Caden

2、ce、Altium Designer、Keil MDK、Quartus II等專業(yè)軟件應(yīng)用和程序調(diào)試等基本實(shí)踐能力，以及外文資料的閱讀和翻譯的基本技能，使學(xué)生初步掌握科學(xué)研究的基本方法。4. 熟悉PCB制版的流程和方法.5. 培養(yǎng)學(xué)生利用單片機(jī)進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的能力，掌握單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法和步驟。熟悉和掌握復(fù)雜系統(tǒng)的調(diào)試方法以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，了解慣性導(dǎo)航知識(shí)、自動(dòng)控制、無(wú)線遙測(cè)的相關(guān)理論。6. 培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手能力，以及與他們合作、交流的能力。7. 使學(xué)生樹(shù)立符合國(guó)情和生產(chǎn)實(shí)際的正確設(shè)計(jì)思想和觀點(diǎn)，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)、負(fù)責(zé)、實(shí)事求是、刻苦鉆研、勇于探索、具有創(chuàng)新意識(shí)、善于與他人合作的工作作

3、風(fēng)。8. 使學(xué)生獲得從事科研工作的初步訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作、獨(dú)立思考和綜合運(yùn)用已學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，尤其注重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立獲取新知識(shí)的能力。武漢紡織大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）二、設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)和要求1、設(shè)計(jì)任務(wù)1) 以ATmega2560為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)MCU的最小系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)編寫(xiě)C程序進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。2) 能夠?qū)崿F(xiàn)SPI、IIC、UART總線上數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。3) 試用上位機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化的顯示和分析。4) 利用arduino軟件，用C程序編寫(xiě)各功能模塊。2、設(shè)計(jì)要求1) 要求系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。2) 能夠?qū)崟r(shí)讀取SPI、IIC、UART總線上數(shù)據(jù)。3) 完成飛行器

4、姿態(tài)的解算。4) 完成系統(tǒng)框圖和詳細(xì)原理圖，并對(duì)各部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。5) 設(shè)計(jì)要考慮經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和可靠性。6) 按武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）格式模板要求書(shū)寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告。三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要參數(shù)及主要參考資料1、主要設(shè)計(jì)參數(shù)1) 讀取各傳感器數(shù)據(jù)2) 解算出飛行器的當(dāng)前姿態(tài)3) 系統(tǒng)主頻時(shí)鐘：16MHz4) 系統(tǒng)供電電壓：11.1V、5V、3.3V5) 功能擴(kuò)展方便。2、主要參考資料1 M. Bendjedia, Y. Ait-Amirat, B .Walther, DSP Implementation of Rotot Position Detection Method for Hy

5、brid Stepper Motors, Power Electronics and Motion Control Conference, 2006.2 C.A. Patel, S. K. Rao, A Testbed for Mini Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle with Protective Shroud Wichita State University, Wichita,Kansas. 3 M. Bendjedia, Y. Ait-Amirat, B .Walther, DSP Implementation of Rotot Position De

6、tection Method for Hybrid Stepper Motors, Power Electronics and Motion Control Conference, 2006.4 Lilly White Kirt, Lee Dah-Jye, TIPPETTS Beau, An embedded vision system for an unmanned four-rotor helicopter, Proceedings of SPIE,the International Society for Optical Engineering.5 Eryk Brian Nice, De

7、sign of a Four Rotor Hovering Vehicle, A Thesis in partial fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science, Cornell University, May,2004.6 Richard K. Arning and Stefan Sassen. Flight Control of Micro Aerial Vehicles.In AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit

8、, 2004.7 胡宇群，微型飛行器中的若干動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究，博士學(xué)位論文，南京航空航天大學(xué)，20028 李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.9 彭軍橋.四旋翼蝶形飛行器D;碩士學(xué)位論文,上海,上海大學(xué),2001.10 GPS700 Ll/L2 Antennas, NovAtel Inc, 2004.11 Castillo P, Dzul A, Lozano R. Real-Time Stabilization and Tracking of a Four-Rotor Mini Rotorcraf, IEEE Transactions on Control S

9、ystems Technology, 2004, 12(4): 510-516. 12 文治洪，胡文東，李曉京等.基于PL2303的USB的接口設(shè)計(jì)J.電子設(shè)計(jì)工程， 2010.13 黃旭,王常虹,伊國(guó)興,等.利用磁力計(jì)及微機(jī)械加速計(jì)和陀螺儀的姿態(tài)估計(jì)擴(kuò)展卡爾曼濾波器J.中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào).2005.13(2):27-30, 34.四、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度表武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度表序號(hào)起止日期計(jì)劃完成內(nèi)容實(shí)際完成情況檢查人簽名檢查日期2010.3.1-2010.3.5查閱資料，了解四旋翼飛行器的基本原理22010.3.6-2010.3.12確定方案，確定系統(tǒng)框圖，進(jìn)行可行性分析，進(jìn)行方

10、案改進(jìn)。32010.3.13-2010.3.18完成開(kāi)題報(bào)告。42010.3.19-2010.3.22確定設(shè)計(jì)中要用到芯片的型號(hào)52010.3.22-2010.3.31繪制電路原理圖，進(jìn)行分析，替換不易購(gòu)買的元器件，改正錯(cuò)誤，改進(jìn)不足，完善設(shè)計(jì)方案，確定最終的原理圖。62010.4.1-2010.4.7繪制PCB圖，并對(duì)所繪PCB進(jìn)行查錯(cuò)，確定無(wú)誤后送去加工。72010.4.8-2010.4.18完成樣板焊接及硬件檢測(cè)。82010.4.19-2010.4.25搜集編程相關(guān)資料和工具。92010.4.26-2010.5.12編寫(xiě)和調(diào)試C程序。102010.5.13-2010.5.20系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)1

11、12010.5.21-2010.5.26完成撰寫(xiě)畢業(yè)論文所需工作，并制作PPT，準(zhǔn)備答辯。注：1.本任務(wù)書(shū)一式兩份，一份院（系）留存，一份發(fā)給學(xué)生，任務(wù)完成后附在說(shuō)明書(shū)內(nèi)。2.“實(shí)際完成情況”和“檢查人簽名”由教師用筆填寫(xiě)，其余各項(xiàng)均要求打印，打印字體和字號(hào)按照武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）規(guī)范執(zhí)行。二類特制#武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告課題名稱四旋翼飛行器的研究與設(shè)計(jì)院系名稱電子與電氣工程學(xué)院專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)電氣102班學(xué)生姓名喻威一、課題研究的意義飛行器（UAV）是指自身具備動(dòng)力裝置、不需要人工操控、可預(yù)設(shè)飛行的的飛行器；它利用空氣動(dòng)力來(lái)抵消自身的重量，可以實(shí)現(xiàn)自主飛行

12、或者遙控飛行；依據(jù)機(jī)翼類型可分為固定翼飛行器和旋翼飛行器。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，飛行器得到了迅速的發(fā)展，其在軍事領(lǐng)域和民用方面都有著大量的應(yīng)用，比如：應(yīng)用于地面?zhèn)刹椤⒏呖湛睖y(cè)、數(shù)據(jù)采集、通信中繼、災(zāi)害救援等等，通過(guò)飛行器來(lái)完成上述的任務(wù)，不僅操作靈活，降低成本，還可以避免人員消耗。相對(duì)固定翼飛行器，旋翼飛行器的發(fā)展卻較為緩慢，這是因?yàn)樾盹w行器的控制較固定翼復(fù)雜，早期的技術(shù)水平無(wú)法實(shí)現(xiàn)飛行器的自主飛行控制；然而，旋翼飛行器卻擁有其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：1）機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，只需協(xié)調(diào)旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)控制，飛行較為靈活；2）不受較大機(jī)翼的限制，能夠應(yīng)用于各種環(huán)境中；3）具備垂直起飛、自主起飛和降

13、落的功能，系統(tǒng)高度智能，可以實(shí)現(xiàn)較多的飛行姿態(tài)，例如：垂直懸停、俯仰升降、偏航轉(zhuǎn)向等等，且飛行器姿態(tài)保持能力較高。這些優(yōu)勢(shì)也就決定了旋翼飛行器在未來(lái)將有著更為廣闊的應(yīng)用前景。隨著旋翼飛行器越來(lái)越受到人們的關(guān)注，研究方向也更深更廣，其涉及到眾多領(lǐng)域的高精尖技術(shù)，如空氣動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)控制、慣性導(dǎo)航、傳感技術(shù)、遙感遙測(cè)等等；目前隨著四旋翼飛行器設(shè)計(jì)任務(wù)的到來(lái)，為研究和設(shè)計(jì)超小型飛行器創(chuàng)造了條件。當(dāng)前，四旋翼飛行器的研究還處在初級(jí)發(fā)展階段。隨著微、納米科技的迅猛發(fā)展和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的蓬勃興起，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，四旋翼飛行器必定會(huì)走向?qū)嵱没壳凹毙杞鉀Q的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)還很多，有些問(wèn)題甚至在較長(zhǎng)

14、一段時(shí)間內(nèi)都可能難以解決，只有用現(xiàn)有的技術(shù)盡最大可能地解決現(xiàn)有的問(wèn)題，我們才能不斷地走在科技發(fā)展的前列。二、四旋翼飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀近年來(lái)，隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航技術(shù)、動(dòng)力鋰電池技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的蓬勃興起，配合高速的低功耗處理器，使得開(kāi)發(fā)和研制四旋翼飛行器有了重大突破，特別是四旋翼飛行器潛在的應(yīng)用前景和使用價(jià)值，使其在較短的時(shí)間內(nèi)就吸引了許多研究者的注意，出現(xiàn)了較多的關(guān)于四旋翼飛行器的研究論文和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。國(guó)外對(duì)四旋翼飛行器的研究主要集中在三個(gè)方面：自主飛行器系統(tǒng)控制方案、基于視覺(jué)的自主飛行控制和基于捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航的自主飛行控制。典型代表分別是：佐治亞理工大學(xué)的 GTMA

15、RS、瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院的OS4 和賓夕法尼亞大學(xué)的 HMX4。GTMARS是佐治亞理工大學(xué)面向火星探測(cè)任務(wù)而設(shè)計(jì)的CAD機(jī)系統(tǒng)，其動(dòng)力子系統(tǒng)和飛行控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案均在第 17 屆美國(guó)直升機(jī)協(xié)會(huì)學(xué)生設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲得第一名。它重 20kg，旋翼半徑 0.92m，續(xù)航時(shí)間 30min。折疊封裝的GTMARS隨四面體著陸器登陸火星后，能自動(dòng)將機(jī)構(gòu)展開(kāi)；能自主起飛和降落，巡航速度可達(dá) 72km/h；還能返回到著陸器補(bǔ)充能量。OS4 是瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院開(kāi)發(fā)的一種電動(dòng)小型四旋翼飛行器，研究重點(diǎn)是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和自主飛行控制算法，目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和室外環(huán)境中的完全自主飛行。2004年，OS4 I實(shí)現(xiàn)了

16、基于多種控制算法(例如：PID、LQ、Backstepping、Sliding-mode)的姿態(tài)增穩(wěn)控制。2006 年，OS4 II 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在室內(nèi)環(huán)境中基于慣性導(dǎo)航的自主懸?？刂啤MX4 機(jī)體底部有五個(gè)彩色標(biāo)記，地面攝像頭跟蹤并測(cè)量標(biāo)記的位置和面積，從而獲得飛行器的三個(gè)姿態(tài)角和位置。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于視覺(jué)的自主懸?？刂?，使用的控制算法是Backstepping。最近研究人員又開(kāi)發(fā)了于機(jī)載和地面雙攝像頭的視覺(jué)定位與定姿系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了測(cè)量的精度。目前，國(guó)內(nèi)的四旋翼機(jī)正在蓬勃發(fā)展，2009年5月21日，一臺(tái)叫做“旋翼飛行機(jī)器人”的空中多功能自主飛行機(jī)器人在中國(guó)中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制成功

17、，并在災(zāi)害搜救的實(shí)際測(cè)試中取得很好的效果，并已經(jīng)小批量地投入生產(chǎn)。據(jù)相關(guān)人員介紹，較大的四旋翼飛行器最長(zhǎng)可在4小時(shí)中持續(xù)執(zhí)行任務(wù)，并且速度可以達(dá)到每小時(shí)100公里，起飛時(shí)的自身重量為120公斤，并負(fù)擔(dān)有效載荷40公斤；而較小一點(diǎn)的飛行器擁有最長(zhǎng)2小時(shí)的續(xù)航時(shí)間，最大巡航速度可達(dá)每小時(shí)70公里，起飛是的自身重量?jī)H僅40公斤，同時(shí)負(fù)擔(dān)14公斤的有效載荷。三、本課題的研究?jī)?nèi)容本次課題設(shè)計(jì)的是一個(gè)四旋翼飛行器，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性，可以空中懸停、遙控飛行、自主飛行、GPS定點(diǎn)定位、任務(wù)執(zhí)行。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：(1) 通信方法課題最終實(shí)現(xiàn)飛行器在無(wú)線控制的條件下進(jìn)行安全穩(wěn)定的運(yùn)

18、動(dòng)，設(shè)計(jì)采用常用的2.4G 作為通信頻段，采用歐洲通用的小型機(jī)通信協(xié)議MAVLINK進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在文中將詳細(xì)討論接收端控制數(shù)據(jù)的解碼處理及如何實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行控制。(2) 姿態(tài)解算方法姿態(tài)控制方法是四旋翼飛行器研究的重點(diǎn)，文中將介紹控制器如何采集姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，根據(jù)融合的數(shù)據(jù)判斷自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。(3) 飛行器電機(jī)控制方法在計(jì)算出自身姿態(tài)之后，飛行器需要控制電機(jī)來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的姿態(tài)調(diào)整，論文中將詳細(xì)介紹采用 PID 控制器來(lái)設(shè)計(jì)電機(jī)控制量，以及電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式。四、研究方法及手段為了使系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上結(jié)構(gòu)清晰，可以方便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改和功能升級(jí)以及方便的進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試和調(diào)試，本系統(tǒng)采

19、用模塊化設(shè)計(jì)的思想。系統(tǒng)大致可以分為電源模塊、MCU最小系統(tǒng)模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、電子調(diào)速器模塊、GPS模塊、遙控發(fā)送接收模塊等六大部分。1. 系統(tǒng)硬件原理框圖 系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。MCU芯片采用Atmel公司的Mega2560、陀螺儀采用Invensense公司的MPU6000、磁力計(jì)采用honeywell(霍利維爾)公司的HMC5883L、氣壓計(jì)采用MEAS(瑞士)公司的MS5611、電子調(diào)速器采用ZTW(中特威)公司的30A專用無(wú)刷電子調(diào)速器。圖1 系統(tǒng)原理框圖2. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)MCU最小系統(tǒng)和傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是硬件電路設(shè)計(jì)的兩個(gè)核心。其中，MCU的最小系統(tǒng)主要包括電源電

20、路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、各接口電路。(1) .電源電路的設(shè)計(jì)電源方面采用了兩種供電方式：一是在USB總線連接到PC機(jī)上時(shí)，由USB給系統(tǒng)供電，二是當(dāng)系統(tǒng)脫離主機(jī)時(shí)，由外接的5V直流電源供電。系統(tǒng)所需要的電壓有11.1V、5V、3.3V，11.1V由電池提供，5V由LM2940降壓得到，3.3V由TPS79133穩(wěn)壓得到(2) .MCU最小系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)MCU是整個(gè)系統(tǒng)的控制和處理核心，其穩(wěn)定性尤為重要，包括MCU供電部分、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、程序下載接口、數(shù)據(jù)交互接口等。(3) .傳感器數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)本四旋翼飛行器的傳感器有采用SPI協(xié)議的陀螺儀MPU6000和氣壓計(jì)MS5611，有采用IIC

21、協(xié)議的磁力計(jì)HMC5883L，故系統(tǒng)采用SPI和IIC和傳感器交換數(shù)據(jù)。(4) .電子調(diào)速器設(shè)計(jì)由于本次四旋翼機(jī)采用無(wú)電刷無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)要采用三相電子換向器，所以采用了4個(gè)30A的專用無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。(5) . GPS模塊設(shè)計(jì)GPS模塊采用UBLOX公司推出的高精度GPS模塊LEA-6H，采用串口協(xié)議，以5Hz、9600bps波特率的速度輸出標(biāo)準(zhǔn)的GPS數(shù)據(jù)格式。(6) . 遙控發(fā)送接收模塊遙控發(fā)送和接收端的通信采用NRF24L01+芯片，該芯片是一款工作在2.42.5GHz 世界通用ISM 頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片，輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。

22、3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的軟件設(shè)計(jì)主要是C語(yǔ)言程序的設(shè)計(jì)。Arduino IDE是一個(gè)集成AVRGCC庫(kù)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，為設(shè)計(jì)者提供了開(kāi)發(fā)、調(diào)試和下載的全部工具。系統(tǒng)程序的開(kāi)發(fā)主要是包括四個(gè)方面的內(nèi)容：系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)的采集和傳輸、姿態(tài)解算、PID調(diào)整、遙控?cái)?shù)據(jù)的處理。(1) . 系統(tǒng)初始化的C程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)上電后，MCU進(jìn)行時(shí)鐘配置的初始化，然后配置SPI、IIC、UART等外設(shè)，再初始化各傳感器，進(jìn)行傳感器標(biāo)定，零點(diǎn)采集，傳感器校準(zhǔn)。(2) . 數(shù)據(jù)采集和傳輸程序設(shè)計(jì)傳感器自校準(zhǔn)完成后，會(huì)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集和發(fā)送程序，在滴答脈沖的定時(shí)下，以200Hz的速度向MCU發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)入下一次采集

23、等待。(3) . 姿態(tài)解算程序設(shè)計(jì)姿態(tài)解算程序是四旋翼飛行器的核心。在接收到各傳感器的數(shù)據(jù)后，MCU開(kāi)辟出一塊內(nèi)存，將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、濾波，然后通過(guò)四元數(shù)法，解算出飛行器當(dāng)前的三姿態(tài)角，即滾轉(zhuǎn)角roll、俯仰角pitch、偏航角yaw，根據(jù)得到的姿態(tài)角，判斷飛行器是否處于平衡狀態(tài)，然后輸出PWM，通過(guò)電子調(diào)速器，控制每個(gè)無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使飛行器保持平穩(wěn)狀態(tài)。(4) . PID調(diào)整PID是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種控制方式，適用于需要進(jìn)行高精度測(cè)量控制的系統(tǒng)。其中P為比例（proportion）、I為積分（integration）、D為微分（differentiation），正式由于PID的調(diào)整，才可

24、以使飛行器穩(wěn)定地飛行。(5) . 遙控?cái)?shù)據(jù)的處理遙控發(fā)送部分，用另一MCU，通過(guò)AD采集6個(gè)電位器的電壓，通過(guò)SPI，將數(shù)據(jù)傳給無(wú)線模塊NRF24L01+，然后模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送。遙控接收端，無(wú)線模塊收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)SPI將數(shù)據(jù)傳遞給MCU，MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，然后處理數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，執(zhí)行相應(yīng)的操作。五、研究步驟本課題涉及到系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程，基本的研究步驟如下：1.了解所需要的知識(shí)，確定基本方案。2.對(duì)設(shè)計(jì)中需要用到的器件進(jìn)行選型，詳細(xì)了解并翻閱其規(guī)格說(shuō)明書(shū)。3.翻閱資料，了解所選控制器的內(nèi)部資源及結(jié)構(gòu)，并熟悉它的使用方法和編程技巧。4.查閱各功能模塊所使用的器件的相關(guān)資料，進(jìn)

25、行具體電路設(shè)計(jì)并繪制原理圖。5.原理圖經(jīng)過(guò)評(píng)審之后進(jìn)行PCB制版，并發(fā)往工廠制作。6.編寫(xiě)各子功能模塊的程序，并做好時(shí)序仿真。7.將編譯通過(guò)的程序下載到檢測(cè)好的硬件電路上進(jìn)行各模塊調(diào)試。8.各模塊調(diào)試通過(guò)后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。9.完成設(shè)計(jì)。六、主要參考資料1 胡春華.縱列式無(wú)人直升機(jī)建模及非線性控制D.博士學(xué)位論文,北京,清華大學(xué),2004.2 吳劍.碟形無(wú)人直升機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)研究D.碩士學(xué)位論文,南京,南京航空航天大學(xué),2004.3 王守亮;基于藍(lán)牙多旋翼微飛行器通信與控制的研究與實(shí)現(xiàn)D,碩士學(xué)位論文,上海,上海交通大學(xué),2005.4 劉煥曄.小型四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)D;碩士學(xué)位論文

26、,上海,上海交通大學(xué), 2011.5 彭軍橋.四旋翼蝶形飛行器D;碩士學(xué)位論文,上海,上海大學(xué),2001.6 聶博文,馬宏緒,王劍,王建文.微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)J. 電光與控制.2007.(6). 113-117.7 王帥,周洋.用于危險(xiǎn)區(qū)域物品清理的四旋翼飛行抓捕手J.兵工自動(dòng)化.2011. (3).78-80. 8 秦永元.慣性導(dǎo)航M .北京:科學(xué)出版社,2006:289-300. 9 黃旭,王常虹,伊國(guó)興,等.利用磁力計(jì)及微機(jī)械加速計(jì)和陀螺儀的姿態(tài)估計(jì)擴(kuò)展卡爾曼濾波器J.中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào).2005.13(2):27-30, 34. 10 趙鶴,王喆垚.基于 UKF 的

27、MEMS 傳感器姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)J,傳感器技術(shù)學(xué)報(bào),2011,24(5): 642-646.11 高宗余,李德勝.多 MEMS 傳感器姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的研究J電光與控制，2010,17( 3): 68-70,97.12 梁延德,程敏,何福本,李航.基于互補(bǔ)濾波器的四旋翼飛行器姿態(tài)解算J.傳感器與微系統(tǒng),2011,30(11):56-58,61.13 于雅莉,孫楓,王元昔.基于多傳感器的四旋翼飛行器硬件電路設(shè)計(jì)J.傳感器與微系統(tǒng), 2011,30(8), 113-115,123.14 楊永鑫.基于磁阻與加速度傳感器的彈體姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)研究D.碩士學(xué)位論文,南京,南京理工大學(xué),2010.指導(dǎo)教師簽名： 20

28、14年5月30日摘 要四旋翼飛行器是一種新型的無(wú)人飛行器，涉及目前科學(xué)研究的多項(xiàng)高精尖技術(shù)，有相當(dāng)重要的研究?jī)r(jià)值。本文論述的四旋翼飛行器主要用于低空航拍、地面勘察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、航模娛樂(lè)等載重量小的輕量級(jí)任務(wù)。論文首先闡述了四旋翼飛行器的發(fā)展，講解了飛行的基本原理，然后介紹了四旋翼飛行器的基本設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)主要包括硬件電路的設(shè)計(jì)、飛行控制程序的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。在硬件電路的設(shè)計(jì)中首先介紹了設(shè)計(jì)中所用到的MCU芯片ATMEGA2560，陀螺儀MPU6000、磁力計(jì)HMC5883L、氣壓計(jì)MS5611、GPS模塊LEA-6H、無(wú)線模塊NRF24L01+的性能和特點(diǎn)，然后給出了具體硬件電路的設(shè)計(jì)方案。飛行控制程

29、序的開(kāi)發(fā)部分是此次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，論文先從總體上介紹了程序的設(shè)計(jì)思想，隨后詳細(xì)介紹了各子功能模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程，并給出了部分源代碼和程序流程圖。論文最后介紹了最終研究與設(shè)計(jì)制作出的實(shí)物成果，并進(jìn)行了測(cè)試研究。測(cè)試表明，四旋翼飛行器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了空中懸停、遙控飛行、自主飛行、GPS定點(diǎn)定位、任務(wù)執(zhí)行，并可以外掛攝像頭模塊，進(jìn)行空中航拍，達(dá)到了預(yù)期目的。關(guān)鍵字：四旋翼； 飛行控制； 陀螺儀； 加速度計(jì)； 姿態(tài)解算ABSTRACTThe quadcopter is a new unmanned aircraft, which is currently involved in a number of sophis

30、ticated scientific techniques, and it has a very important research value. The quadcopter aircraft discusses in this thesis is mainly used for low-altitude aerial photography, ground surveys, environmental monitoring, HM entertainment deadweight small lightweight tasks.Thesis describes the developme

31、nt of quadcopter aircraft, explains the basic principles of flight, and then introduces the basic design ideas of quadcopter. The design includes hardware design and flight control program. In the design of the circuit hardware, thesis introduces the performance and features of the MCU chip ATMEGA25

32、60, gyroscope MPU6000, magnetometer HMC5883L, barometer MS5611, GPS LEA-6H, wireless module NRF24L01+, then it gives specific hardware design of the circuit. The flight control program is the most important development of the design, followed by a detailed description of the design process for each

33、sub-function modules, and it gives some of the source code and program flow.Finally, the thesis describes the outcome of the research and design. Testing shows that the quadcopter aircraft system achieves the air hovering, flying remote control, autonomous flight, task execution, and photography, up

34、 to the desired purpose.Keywords: Quadcopter; Fly Control; Gyroscope; Accelerometer; Attitude solution 目 錄1. 緒論11.1 課題的提出及意義11.2 課題的研究背景和現(xiàn)狀21.2.1 早期四旋翼飛行器的研究21.2.2 四旋翼飛行器的現(xiàn)狀21.3 四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)及工作原理31.3.1 四旋翼飛行器簡(jiǎn)介31.3.2 四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)組成31.3.3 四旋翼飛行器的特點(diǎn)41.3.4 四旋翼姿態(tài)的調(diào)整方法：41.3.5 坐標(biāo)系的建立71.3.6 飛行器繞X軸的角度橫滾角(roll)與旋翼

35、升力之間的關(guān)系91.3.7 飛行器繞Y軸的角度俯仰角(pitch)與旋翼升力之間的關(guān)系91.3.8 飛行器繞Z軸的角度偏航角(yaw)與旋翼升力之間的關(guān)系91.4 飛行器姿態(tài)的確定101.5 陀螺儀角速度傳感器101.5.1 Gimbal陀螺儀111.5.2 MEMS陀螺儀111.5.3 角度測(cè)量111.5.4 陀螺儀選擇121.6 加速度傳感器121.6.1 加速度傳感器的測(cè)量原理121.6.2 加速度傳感器的選擇131.7 姿態(tài)解算141.7.1 姿態(tài)解算概述141.7.2 融合算法分析141.8 無(wú)線遙控發(fā)送和接收技術(shù)151.8.1 遙控通信頻段的選擇151.8.2 遙控器的設(shè)計(jì)161.

36、9 電動(dòng)機(jī)的PID控制161.9.1 PID概述161.9.2 PID的控制方法171.10 本章小結(jié)182 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)182.1 總體設(shè)計(jì)182.2 電源模塊設(shè)計(jì)192.2.1 5V穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)192.2.2 3.3V穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)202.3 主控模塊（微控制器）212.3.1 微控制器(MCU)的選擇212.3.2 微控制器(MCU)特性212.4 姿態(tài)傳感器222.4.1 陀螺儀和加速度傳感器222.4.2 陀螺儀和加速度計(jì)傳感器電路232.4.3 磁力計(jì)HMC5883L242.4.4 氣壓計(jì)MS5611242.4.5 GPS模塊LEA-6H252.4.6 2.4G無(wú)線通信模塊252

37、.4.7 遙控發(fā)送與接收262.4.8 電子調(diào)速器263 系統(tǒng)軟件的C程序設(shè)計(jì)273.1 總體設(shè)計(jì)273.2 系統(tǒng)初始化283.2.1 系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)293.2.2 控制參數(shù)初始化293.3 內(nèi)部資源設(shè)置303.4 數(shù)據(jù)輸入設(shè)計(jì)303.4.1 姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)的輸入303.4.2 遙控接收機(jī)數(shù)據(jù)的輸入313.5 姿態(tài)解算的實(shí)現(xiàn)313.6 PID閉環(huán)控制的設(shè)計(jì)323.7 控制算法實(shí)現(xiàn)333.8 四旋翼飛行器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)343.8.1 實(shí)現(xiàn)結(jié)果343.9 本章小結(jié)354 結(jié)果分析及改進(jìn)364.1 設(shè)計(jì)結(jié)果364.2 功耗分析374.3 算法分析374.3.1 姿態(tài)解算分析374.4 控制系統(tǒng)改進(jìn)384.5

38、 與目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的比較384.6 本章小結(jié)395 總結(jié)與展望395.1 研究總結(jié)395.2 還需解決的問(wèn)題405.3 未來(lái)的研究展望40參考文獻(xiàn)41附錄四旋翼飛行器原理圖和PCB42附錄四旋翼飛行器源代碼43英文資料44中文譯文50致 謝561. 緒論1.1 課題的提出及意義飛行器（aircraft）是指靠自帶動(dòng)力裝置、人工輔助操控、可滯空、可預(yù)設(shè)飛行的裝置；它利用螺旋槳提供的動(dòng)力來(lái)抵消自身的重量，可長(zhǎng)時(shí)間滯空，可自主巡航或者遙控飛行；飛行器依據(jù)機(jī)翼類型可分為固定翼飛行器和旋翼飛行器。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷提高，旋翼飛行器的研究得到了迅猛的發(fā)展，其在民用領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越多，比

39、如：應(yīng)用于地面?zhèn)刹?、高空勘測(cè)、數(shù)據(jù)采集、通信中繼、災(zāi)害救援等等，通過(guò)旋翼飛行器來(lái)完成上述的任務(wù)，不僅操作靈活，成本降低，還可以避免人員消耗。和固定翼飛行器相比，旋翼飛行器的發(fā)展較為緩慢，這是因?yàn)樾盹w行器涉及自動(dòng)控制、機(jī)電一體，較固定翼復(fù)雜，早期的科技水平無(wú)法滿足旋翼飛行器的自主飛行控制；然而，旋翼飛行器卻擁有諸多優(yōu)點(diǎn)：1）機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，改變旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可實(shí)現(xiàn)控制，飛行靈活；2）沒(méi)有龐大機(jī)翼的限制，能應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境中；3）具備垂直起降、空中懸停和自主巡航等功能，機(jī)載電子設(shè)備高度智能化，在保證飛行姿態(tài)穩(wěn)定的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)垂直懸停、俯仰升降、偏航轉(zhuǎn)向的特殊動(dòng)作，靜若處子，動(dòng)若脫兔。隨著現(xiàn)代自動(dòng)控

40、制理論的發(fā)展和微機(jī)電系統(tǒng)的日漸成熟，旋翼飛行器越來(lái)越受到人們的關(guān)注，研究方向也更深更廣，其涉及到眾多領(lǐng)域的高精尖技術(shù)，如空氣動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)控制、慣性導(dǎo)航、傳感技術(shù)、遙感遙測(cè)等等；目前隨著四旋翼飛行器設(shè)計(jì)任務(wù)的到來(lái)，為研究和設(shè)計(jì)超小型飛行器創(chuàng)造了條件。當(dāng)前，四旋翼飛行器的研究還處在初級(jí)發(fā)展階段。隨著集成電路、納米科技的迅猛發(fā)展和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的蓬勃興起，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，四旋翼飛行器必定會(huì)走向?qū)嵱没?，但目前急需解決的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)還有很多，有些問(wèn)題甚至在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都可能難以解決，只有用現(xiàn)有的技術(shù)盡最大可能地解決現(xiàn)有的問(wèn)題，我們才能不斷地走在科技發(fā)展的前列。1.2 課題的研究背景和現(xiàn)狀1

41、.2.1 早期四旋翼飛行器的研究早在一百多年前的20世紀(jì)初期，國(guó)外就有專家學(xué)者開(kāi)始了四旋翼飛行器的研究。Breguet-Richet四旋翼飛行器于1907年試飛，其有四個(gè)長(zhǎng)為8.1米的旋翼十字支架，其中對(duì)角支架上的兩個(gè)旋翼順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，另外一對(duì)對(duì)角支架上兩個(gè)旋翼逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。飛行員坐在十字支架的中心位置，油門為唯一的控制設(shè)備，只能同時(shí)改變四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，從而導(dǎo)致對(duì)飛行器極不穩(wěn)定。在其起飛時(shí)，四個(gè)機(jī)架的頂端都需要有其他人員來(lái)輔助其穩(wěn)定起飛。雖然自主飛行沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，但使用四個(gè)螺旋槳、對(duì)角的兩個(gè)螺旋槳順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋翼和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋翼的思想是Breguet-Richet 四旋翼飛行器的顯著特點(diǎn)，為以后

42、的發(fā)展奠定的基礎(chǔ)。1.2.2 四旋翼飛行器的現(xiàn)狀近年來(lái)，四旋翼飛行器的控制理論和算法有了很大提升，研究四旋翼飛行器的文章和項(xiàng)目層出不窮，最具有代表性的有：瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院的OS4、澳大利亞國(guó)立大學(xué)的X-4 Flyer Mark、美國(guó)斯坦福大學(xué)的Mesicopter和STARMAC。瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院的OS4目前已經(jīng)在Matlab/Smiulink仿真環(huán)境下進(jìn)行了OS4避障模型的測(cè)試，還設(shè)計(jì)了避障控制器、基于位置和速度控制的5種不同避碰方法，并做了相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)；澳大利亞國(guó)立大學(xué)的X-4 Flyer Mark在Matlab仿真分析表明，倒轉(zhuǎn)四旋翼的結(jié)構(gòu)有利于四旋翼的穩(wěn)定飛行，并具有較高的抗干

43、擾能力；美國(guó)斯坦福大學(xué)的Mesicopter目前已經(jīng)完成了試驗(yàn)樣機(jī)在一根短垂直桿上離地飛，STARMAC使四旋翼系統(tǒng)有可靠的、完全自主的航點(diǎn)鎖定能力，具備多飛行器協(xié)同飛行水平；麻省理工學(xué)院目前的項(xiàng)目已完成了四旋翼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)搜索、跟蹤、多機(jī)協(xié)同和編隊(duì)飛行等實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境下四旋翼機(jī)的飛行演示，其中包括多架四旋翼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)搜索、跟蹤、多機(jī)協(xié)同和編隊(duì)飛行等實(shí)驗(yàn)。佐治亞理工學(xué)的GTMARS是面向火星探測(cè)任務(wù)而設(shè)計(jì)的，能夠自動(dòng)將機(jī)械手臂展開(kāi)、自主起降。續(xù)航30min、巡航速度可達(dá)72km/h、還可以返回到著落器補(bǔ)充能量。他們的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和室外環(huán)境中的自主巡航和多飛行器協(xié)同完成具體任務(wù)。1.3

44、 四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)及工作原理1.3.1 四旋翼飛行器簡(jiǎn)介四旋翼飛行器屬于旋翼飛行器的一種，從外形來(lái)看，其可以看作四個(gè)具備相同功能的直升機(jī)組合，但卻與直升機(jī)有著較大的差異。四旋翼飛行器擁有兩對(duì)旋翼，對(duì)角線上的旋翼旋轉(zhuǎn)方向相同，相鄰旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反，這樣一方面可以利用相互作用的原理來(lái)抵消掉各個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭力，而不用像直升機(jī)那樣需要特殊的尾槳來(lái)消除反扭力；另一方面還可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩對(duì)角旋翼所產(chǎn)生的扭矩和升力大小，來(lái)控制飛行器的飛行姿態(tài)。四旋翼飛行器的姿態(tài)控制部件少，原理簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)向靈活，操控靈敏，體積小，重量輕，能耗低。1.3.2 四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)組成圖1-1四旋翼飛行器四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)如圖1-

45、1中所示，組成主要包括如下部分：旋翼部分：該部分固定安放在機(jī)身的四個(gè)垂直軸的末端，為飛行器提供動(dòng)力，其中包括四個(gè)螺旋槳(兩對(duì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、兩對(duì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))、電機(jī)以及一些固定部件。飛行控制部分：該部分安裝在機(jī)身的中部，控制飛行器的姿態(tài)，是系統(tǒng)的核心。其中包括主控制器部分、遙控接收部分、姿態(tài)采集部分等等。機(jī)身：由兩個(gè)互相垂直的機(jī)臂作為機(jī)架，用于固定旋翼模塊和飛行控制模塊，另外，在飛控部分和電機(jī)之間，安裝了電子調(diào)速器來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)中，四個(gè)螺旋槳處于同一高度平面，機(jī)身的中心處安放飛行控制部分，重心穩(wěn)定，飛行控制部分能精確解算出飛行姿態(tài)，調(diào)整四個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速，控制四旋翼的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)?？刂品绞?/p>

46、簡(jiǎn)單，控制部件少，其控制原理、工作方式也易被大眾所接受。相比較傳統(tǒng)的固定翼和直升機(jī)系統(tǒng)，四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)主要有以下特點(diǎn)：(1) 四個(gè)螺旋槳同時(shí)產(chǎn)生升力。相比較直升機(jī)單槳產(chǎn)生的升力，四旋翼飛行器可負(fù)載更多，穩(wěn)定性更強(qiáng)，當(dāng)然更多槳翼(如六旋翼、八旋翼)飛行器的負(fù)載會(huì)更大，但是槳翼增加會(huì)帶來(lái)控制上的復(fù)雜性，故這里選用四旋翼的結(jié)構(gòu)形式。(2) 四旋翼結(jié)構(gòu)對(duì)稱，各旋翼間的干擾小。對(duì)角旋翼旋轉(zhuǎn)方向相同，相鄰旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反，具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使得飛行器上下運(yùn)動(dòng)與其他運(yùn)動(dòng)之間無(wú)耦合；在理想情況下，俯仰運(yùn)動(dòng)與橫滾運(yùn)動(dòng)之間無(wú)耦合，這就給系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的方便。(3) 四旋翼的姿態(tài)控制。飛行器在空中運(yùn)動(dòng)中

47、，有基本的四種飛行狀態(tài)，即：上下飛行（懸停）、前后飛行（俯仰）、側(cè)向飛行（橫滾）、水平轉(zhuǎn)動(dòng)（偏航），這四種飛行姿態(tài)，都是通過(guò)控制四個(gè)螺旋槳各自的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1.3.3 四旋翼飛行器的特點(diǎn)四旋翼飛行器屬于旋翼類飛行器，而旋翼類飛行器主要是通過(guò)改變每個(gè)螺旋槳升力的大小來(lái)控制飛行器的運(yùn)動(dòng)方式，與直升機(jī)相比，有如下異同：共同點(diǎn)：兩者都屬于旋翼類飛行器，無(wú)副翼、側(cè)翼，故四旋翼飛行器符合直升機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)原理，分析時(shí)可以參考直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理。不同點(diǎn)：(a)四旋翼飛行器只受螺旋槳和機(jī)體本身所產(chǎn)生的力和力矩，而傳統(tǒng)的直升機(jī)一般需要承受尾翼所產(chǎn)生的力和力矩，以抵消機(jī)身的反扭力。(b)四旋翼飛行器具備多

48、個(gè)槳翼，是通過(guò)調(diào)整各個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速，改變各個(gè)螺旋槳的升力和扭矩，調(diào)整和控制飛行器的飛行姿態(tài)，維持飛行器的飛行穩(wěn)定。1.3.4 四旋翼姿態(tài)的調(diào)整方法：四旋翼飛行器的姿態(tài)、速度控制行為都是通過(guò)調(diào)整四個(gè)動(dòng)力電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)控制四個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力和力矩來(lái)控制飛行器的飛行姿態(tài)，因此，整個(gè)四旋翼飛行器可以抽象成圖1-2 所示的模型。圖1-2四旋翼飛行器抽象圖圖1-2中，F(xiàn)1、F2、F3、F4分別代表前左后右四個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力，M1、M2、M3、M4分別代表四個(gè)螺旋槳所產(chǎn)生的力矩；通過(guò)控制四個(gè)槳翼產(chǎn)生的升力和力矩，即可讓飛行器實(shí)現(xiàn)各種飛行姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)方式；具體的運(yùn)動(dòng)方式如下： (a)上下運(yùn)動(dòng)上下運(yùn)

49、動(dòng)包括四旋翼飛行器的空中懸停和垂直升降。如圖1-3所示，當(dāng)飛行器四個(gè)槳翼以相等的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，各個(gè)槳翼所產(chǎn)生的升力大小相等，反扭力抵消，總的升力不等于飛行器自身重力時(shí)，飛行器就會(huì)垂直上升或者下降；總的升力等于自身重力時(shí)，飛行器就水平懸停，此時(shí)有F1=F2=F3=F4= G /4。（其中G為整個(gè)飛行器重量）圖1-3四旋翼飛行器上下運(yùn)動(dòng)圖(b)橫滾運(yùn)動(dòng)橫滾運(yùn)動(dòng)又稱為左右運(yùn)動(dòng)，如圖1-4所示，右邊兩個(gè)槳翼的轉(zhuǎn)速高于左邊兩個(gè)槳翼轉(zhuǎn)速時(shí)，右邊槳翼所產(chǎn)生的總升力大于左邊槳翼產(chǎn)生的總升力，機(jī)身將向左側(cè)傾斜和運(yùn)動(dòng)，此時(shí)有F1=F4，F(xiàn)2=F3，F(xiàn)1+F4 F2+F3，并且F1+F2+F3+F4= G。（其中G為

50、整個(gè)飛行器重量）；同理，可以使機(jī)體向右側(cè)傾斜和運(yùn)動(dòng)。圖1-4四旋翼飛行器左右運(yùn)動(dòng)圖(c)俯仰運(yùn)動(dòng)俯仰運(yùn)動(dòng)又稱為前后運(yùn)動(dòng)，如圖 1-5 所示，前邊兩個(gè)槳翼的轉(zhuǎn)速低于后邊兩個(gè)槳翼轉(zhuǎn)速時(shí)，前邊槳翼所產(chǎn)生的總升力小于后邊槳翼產(chǎn)生的總升力，機(jī)身將向前清晰和移動(dòng)；同理，可以使機(jī)體向后側(cè)傾斜和移動(dòng)。此時(shí)有F1=F2，F(xiàn)3=F4，F(xiàn)3+F4 F1+F2，并且F1+F2+F3+F4= G。（其中G為整個(gè)飛行器重量）圖1-5四旋翼飛行器前后運(yùn)動(dòng)圖(d)偏航運(yùn)動(dòng)偏航運(yùn)動(dòng)是四旋翼飛行器的自我旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖 1-6 所示，當(dāng)對(duì)角線上的一組螺旋槳的轉(zhuǎn)速相同，而另一對(duì)角線上的螺旋槳轉(zhuǎn)速不同時(shí)，由于產(chǎn)生的反扭力矩不能被相互抵

51、消，飛行器將會(huì)發(fā)生自旋和轉(zhuǎn)向。此時(shí)有F1=F3，F(xiàn)2=F4，F(xiàn)2+F4 F1+F3，并且F1+F2+F3+F4= G。（其中G為整個(gè)飛行器重量）圖1-6四旋翼飛行器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)圖1.3.5 坐標(biāo)系的建立為了研究飛行器的姿態(tài)，通常使用坐標(biāo)系來(lái)輔助分析。坐標(biāo)系有地球坐標(biāo)系、機(jī)體坐標(biāo)系、速度坐標(biāo)系以及旋翼坐標(biāo)系等，不同坐標(biāo)系間可通過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)換和歸一。下面介紹設(shè)計(jì)中使用到的兩種坐標(biāo)系。(1) 機(jī)體坐標(biāo)系如圖1-7所示，建立機(jī)體坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系以機(jī)體為參考對(duì)象，以機(jī)身的重心為參考原點(diǎn)。X軸與前后螺旋槳連線平衡，前方指向X軸正方向；Y軸與左右螺旋槳連線平衡，右方指向Y軸正方向； Z軸與X軸、Y軸所在平面

52、垂直，組成右手坐標(biāo)系。圖1-7機(jī)體坐標(biāo)系(2) 地球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系指絕對(duì)水平坐標(biāo)系，亦稱NED坐標(biāo)系或慣性直角坐標(biāo)系，是三個(gè)互相垂直的向量軸（圖1-8所示），滿足右手正交法則，其原點(diǎn)與人體坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，N軸沿當(dāng)?shù)刈游缇€指向地球正北方，E軸沿當(dāng)?shù)鼐暰€指向地球正東方向，D軸指向地球中心，與重力方向重合。圖 1-8地球坐標(biāo)系(3) 兩坐標(biāo)系之間的關(guān)系當(dāng)選擇地球坐標(biāo)系作為參考時(shí)，兩者之間的關(guān)系如圖1-9所示。圖1-9機(jī)體坐標(biāo)與地球坐標(biāo)之間的關(guān)系圖1-9中，Xb-Yb-Zb構(gòu)成機(jī)體坐標(biāo)系，Xe-Ye-Ze構(gòu)成地球坐標(biāo)系；機(jī)體坐標(biāo)可以表示為機(jī)體相對(duì)于地球坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以分解為繞三個(gè)軸

53、的運(yùn)動(dòng)來(lái)描述，產(chǎn)生的角度變換描述如下：l 俯仰角(pitch)當(dāng)飛行器做前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛行器就要產(chǎn)生俯仰姿態(tài)，相對(duì)于地球坐標(biāo)系就是：飛行器在 X-Z 平面進(jìn)行繞 Y 軸運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的角度即俯仰角(pitch)。l 橫滾角(roll)當(dāng)飛行器做左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛行器就要產(chǎn)生橫滾姿態(tài)，相對(duì)于地球坐標(biāo)系就是：飛行器在 Y-Z 平面進(jìn)行繞 X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的角度即橫滾角(roll)。l 偏航角(yaw)當(dāng)飛行器做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛行器就要產(chǎn)生偏航姿態(tài)，相對(duì)于地球坐標(biāo)系就是：飛行器在X-Y平面進(jìn)行繞Z軸的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的角度即偏航角(yaw)。文中四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)表示都將建立在這兩種坐標(biāo)系之中。1.3.6 飛行器繞X

54、軸的角度橫滾角(roll)與旋翼升力之間的關(guān)系如圖1-10所示，飛行器在Y-Z平面內(nèi)繞X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的橫滾角(roll)主要通過(guò)左右旋翼產(chǎn)生的升力控制。圖1-10飛行器繞X軸旋轉(zhuǎn)的角度與F左、F右之間的關(guān)系1.3.7 飛行器繞Y軸的角度俯仰角(pitch)與旋翼升力之間的關(guān)系如圖1-11所示，飛行器在X-Z平面內(nèi)繞Y軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的俯仰角(pitch)主要通過(guò)前后旋翼產(chǎn)生的升力控制。圖1-11飛行器繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角度與F前、F后之間的關(guān)系1.3.8 飛行器繞Z軸的角度偏航角(yaw)與旋翼升力之間的關(guān)系如圖1-12所示，飛行器在X-Y平面內(nèi)繞Z軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的偏航角(yaw)需要通過(guò)控制前后左右四

55、個(gè)旋翼才能達(dá)到效果，且旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，同一對(duì)角線上的兩個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速保持一致，且不同對(duì)角線的旋翼轉(zhuǎn)速不同。圖 1-12 飛行器繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度與四個(gè)電機(jī)之間的關(guān)系1.4 飛行器姿態(tài)的確定所謂姿態(tài)，是用來(lái)描述一個(gè)剛體的自身剛體坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系之間的角度、位置關(guān)系，常見(jiàn)的描述方式有歐拉角，也就是pitch，roll，yaw三個(gè)轉(zhuǎn)角，另外還有四元數(shù)、方向余弦矩陣等描述方式。常見(jiàn)的姿態(tài)測(cè)量器件有陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)、氣壓計(jì)、超聲波傳感器、GPS、攝像頭、紅外傳感器、光流傳感器等等。目前在姿態(tài)算法的研究中，特別復(fù)雜的融合方式幾乎融合了上述所有傳感器的數(shù)據(jù)，綜合處理這些數(shù)據(jù)，便可以獲得較準(zhǔn)確的姿態(tài)定位；然而針對(duì)四旋翼飛行器的研究和應(yīng)用，受到嵌入式平臺(tái)運(yùn)算能力和飛行器載體空間大小的限制，傳感器數(shù)據(jù)的融合將會(huì)簡(jiǎn)單化、最優(yōu)化，因此需要選擇一種廉價(jià)、輕量、易用的慣性測(cè)量單元（簡(jiǎn)稱 IMU）來(lái)輸出載體的姿態(tài)信息。設(shè)計(jì)中采用陀螺儀、加速度計(jì)、氣壓計(jì)和GPS來(lái)進(jìn)行四旋翼飛行器的姿態(tài)測(cè)量，其相關(guān)知識(shí)具體介紹如下。1.5 陀螺儀角速度傳感器陀螺儀是一種用于測(cè)量角度以及維持方向的角速度傳感器，基于角動(dòng)量守恒原理，通常有兩種類型的陀螺儀：