arduino的四轴飞行器设计与制作
摘 要本课题主要对四轴飞行器的发展现状和历史背景、软硬件系统和系统调试等内容进行了描述。主体是采用目前较为流行的Arduino作为飞行器的飞控,由于该平台独特的易于二次开发，同时具有使用简便、功能丰富、价格低廉的特点，使得飞行器系统的设计更加趋向于简单，成本更加趋近于低廉，同时也在一定程度上缩短了设计时间。硬件方面主要由Arduino mini开放板和MPU6050模块为核心芯片加之高速马达及驱动电路搭建而成。软件方面主要基于目前主流的MWC飞控程序，在目前完成的功能之上，在之后亦可直接添加新的功能。同时运用PID算法，加上地面站和上位机的调试，进一步完善了飞机的自稳功能。
目录
一、 引言 5
四轴飞行器的发展前景 5
二、 方案设计及元器件选择 6
（一） Arduino Pro mini板简介 7
（二） 陀螺仪传感器简介 7
（三） 空心杯电机简介 8
（四） CP2102模块简介 8
（五）天地飞4通接收机简介 9
三、 系统硬件设计 10
（一）最小系统电路设计 10
（二）复位电路设计 11
（三）晶振电路设计 11
（四）引脚接线电路设计 11
（五）状态显示电路设计 12
（六）空心杯电机驱动电路设计 13
四、 系统软件设计 14
（一）四轴飞行器的主程序流程设计 14
（二）电机驱动程序流程设计 15
（三）MPU 6050子程序流程设计 16
（四）PID算法设计 16
五、 实物安装与调试 18
总结与展望 22
参考文献 23
致 谢 24
附录一 原理图 25
附录二 PCB图 27
附录三 元件列表 28
附录四 程序 29
引言
四轴飞行器的发展前景
四轴飞行器是当前无人飞行器发展的主流方向，目前市面上的大型商家有大疆、小米、亿航等等。基于四轴飞行器体积小、质量轻，同时可以具有拍摄、定位等多项 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
功能，可以用在拍摄、侦查、DIY、宣传等多个方面。优点明显，功能广泛。因此目前市面上，应用广泛未来在安保、建筑及其它高危作业环境或将发挥巨大作用。
而Arduino作为时下流行的电子互动平台，二次开发是它的一个重要特征，因为如此我们可以进一步降低电路硬件的开发难度，同时也能完善更多的功能。Arduino系列有多种不同的型号，例如Arduino mini,Arduino UNO，Arduino NANO,可以适应不同的硬件需要。
而在软件设计方面，Arduino语言主要是在C/C++语言的基础之上，同时为了使数据处理变得更加方便，使得软件处理集成化，无需处理底层数据，大大提高了数据处理能力。同时相较于传统的单片机设计，因为Arduino板集成了多部分功能，设计更加简便，电路板面积也更加小，不光节约了空间，也使经济价格得到显著下降，具有很高的价值。
本课题正是将Arduino与四轴飞行器进行了结合，四轴飞行器是本毕业设计的主要研究对象，本课题将结合大学期间所学的单片机知识、模拟电子、数字电路以及Protel软件的应用，通过硬件，软件的结合，完成本课题设计。
方案设计及元器件选择
本次设计的四轴飞行器的设计中，根据设计的要求，完成了具体的系统方案设计，设计的系统方案如下：
该课题设计一种由Arduino mini板控制的四轴飞行器，通过陀螺仪传感器平稳自身，设计由Arduino编写的程序，由遥控器进行控制，最终实现四轴飞行常正常工作。
本设计以ATMEGA328作为主处理器，实现对陀螺仪传感器收集到的三轴角速度，三轴加速度等信息的处理，实现整个机体的自稳等功能，同时将处理过数据传入到电机驱动电路中，改变不同空心杯电机的转数，来实现不同姿态。
同时舍弃了WIFI/蓝牙的方式，选用了2.4G射频，运用天地飞4通交换机，天地飞遥控器来实现操作。
总体方案布局如下图所示： /
图1 总体方案布局图
Arduino Pro mini板简介
本课题把Arduino Pro mini板代入到四轴飞行器中，对数据进行分析汇总运算处理。它是微控制器电路板。电路板上集成了复位电路，晶振电路，状态显示电路等多个电路，使得电路设计更加简便。
/
图2 Arduino Pro mini板实物图
陀螺仪传感器简介
它的包装尺寸4x4x0.9mm，通过陀螺仪传感器，四轴飞行器可以知道自己的状态，例如角速度、加速度等，然后将这些数据传到Arduino Pro mini板中，改变电机转速。
图3 陀螺仪传感器实物图
空心杯电机简介
本课题采空心杯电机，转速块，体积小，接线简单，钕铁硼强磁性性能更稳定、带散热孔使用简单。
/
图4 空心杯电机实物图
CP2102模块简介
不同于AT89C51单片机，Arduino Pro mini板接线复杂，需要一个引出DTR引脚的USB转TTL模块才能正常完成接线，所以选择了CP2102模块，带有DTR功能可以直接给 pro mini下载程序；
/
图5 CP2102模块实物图
（五）天地飞4通接收机简介
WFR04S 4通道是天地飞目前最小的接收机，四通道，支持独创的FLASPEED，玲珑小巧，是小模型控制端最好选择。它的频段大概是2.400GHz2.483GHz，支持4.8V6V的电压。
/
图6 天地飞四通接收机实物图
系统硬件设计
（一）最小系统电路设计
在四翼飞行器控制系统中，为了实现四轴飞行器的设计，采用Arduino Pro mini板来实现，Arduino Pro mini是一块基于开放源代码的超小Simple i/o平台，在体积上占很大优势，它的尺寸只有34*18mm,重量只有7g,基于飞行的空心杯电机的升力考虑，故选择该款，它的具体引脚电路图如下所示：
目录
一、 引言 5
四轴飞行器的发展前景 5
二、 方案设计及元器件选择 6
（一） Arduino Pro mini板简介 7
（二） 陀螺仪传感器简介 7
（三） 空心杯电机简介 8
（四） CP2102模块简介 8
（五）天地飞4通接收机简介 9
三、 系统硬件设计 10
（一）最小系统电路设计 10
（二）复位电路设计 11
（三）晶振电路设计 11
（四）引脚接线电路设计 11
（五）状态显示电路设计 12
（六）空心杯电机驱动电路设计 13
四、 系统软件设计 14
（一）四轴飞行器的主程序流程设计 14
（二）电机驱动程序流程设计 15
（三）MPU 6050子程序流程设计 16
（四）PID算法设计 16
五、 实物安装与调试 18
总结与展望 22
参考文献 23
致 谢 24
附录一 原理图 25
附录二 PCB图 27
附录三 元件列表 28
附录四 程序 29
引言
四轴飞行器的发展前景
四轴飞行器是当前无人飞行器发展的主流方向，目前市面上的大型商家有大疆、小米、亿航等等。基于四轴飞行器体积小、质量轻，同时可以具有拍摄、定位等多项 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
功能，可以用在拍摄、侦查、DIY、宣传等多个方面。优点明显，功能广泛。因此目前市面上，应用广泛未来在安保、建筑及其它高危作业环境或将发挥巨大作用。
而Arduino作为时下流行的电子互动平台，二次开发是它的一个重要特征，因为如此我们可以进一步降低电路硬件的开发难度，同时也能完善更多的功能。Arduino系列有多种不同的型号，例如Arduino mini,Arduino UNO，Arduino NANO,可以适应不同的硬件需要。
而在软件设计方面，Arduino语言主要是在C/C++语言的基础之上，同时为了使数据处理变得更加方便，使得软件处理集成化，无需处理底层数据，大大提高了数据处理能力。同时相较于传统的单片机设计，因为Arduino板集成了多部分功能，设计更加简便，电路板面积也更加小，不光节约了空间，也使经济价格得到显著下降，具有很高的价值。
本课题正是将Arduino与四轴飞行器进行了结合，四轴飞行器是本毕业设计的主要研究对象，本课题将结合大学期间所学的单片机知识、模拟电子、数字电路以及Protel软件的应用，通过硬件，软件的结合，完成本课题设计。
方案设计及元器件选择
本次设计的四轴飞行器的设计中，根据设计的要求，完成了具体的系统方案设计，设计的系统方案如下：
该课题设计一种由Arduino mini板控制的四轴飞行器，通过陀螺仪传感器平稳自身，设计由Arduino编写的程序，由遥控器进行控制，最终实现四轴飞行常正常工作。
本设计以ATMEGA328作为主处理器，实现对陀螺仪传感器收集到的三轴角速度，三轴加速度等信息的处理，实现整个机体的自稳等功能，同时将处理过数据传入到电机驱动电路中，改变不同空心杯电机的转数，来实现不同姿态。
同时舍弃了WIFI/蓝牙的方式，选用了2.4G射频，运用天地飞4通交换机，天地飞遥控器来实现操作。
总体方案布局如下图所示： /
图1 总体方案布局图
Arduino Pro mini板简介
本课题把Arduino Pro mini板代入到四轴飞行器中，对数据进行分析汇总运算处理。它是微控制器电路板。电路板上集成了复位电路，晶振电路，状态显示电路等多个电路，使得电路设计更加简便。
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图2 Arduino Pro mini板实物图
陀螺仪传感器简介
它的包装尺寸4x4x0.9mm，通过陀螺仪传感器，四轴飞行器可以知道自己的状态，例如角速度、加速度等，然后将这些数据传到Arduino Pro mini板中，改变电机转速。
图3 陀螺仪传感器实物图
空心杯电机简介
本课题采空心杯电机，转速块，体积小，接线简单，钕铁硼强磁性性能更稳定、带散热孔使用简单。
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图4 空心杯电机实物图
CP2102模块简介
不同于AT89C51单片机，Arduino Pro mini板接线复杂，需要一个引出DTR引脚的USB转TTL模块才能正常完成接线，所以选择了CP2102模块，带有DTR功能可以直接给 pro mini下载程序；
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图5 CP2102模块实物图
（五）天地飞4通接收机简介
WFR04S 4通道是天地飞目前最小的接收机，四通道，支持独创的FLASPEED，玲珑小巧，是小模型控制端最好选择。它的频段大概是2.400GHz2.483GHz，支持4.8V6V的电压。
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图6 天地飞四通接收机实物图
系统硬件设计
（一）最小系统电路设计
在四翼飞行器控制系统中，为了实现四轴飞行器的设计，采用Arduino Pro mini板来实现，Arduino Pro mini是一块基于开放源代码的超小Simple i/o平台，在体积上占很大优势，它的尺寸只有34*18mm,重量只有7g,基于飞行的空心杯电机的升力考虑，故选择该款，它的具体引脚电路图如下所示：
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