微四轴飞行器的设计与实现【字数：14884】

微四轴飞行器的设计与实现[160515206288253x]

摘 要四轴飞行器是当今科技高速发展时代的一个火热的领域，也是控制领域的热点研究，广泛应用在军事、民用和农业三个方面，非常具有应用前景。本文主要研究基于单片机系统和惯导系统对四轴飞行器进行设计。使用STM32F103C8T6作为作为主控芯片，使用九轴姿态传感器MPU9250来获取其陀螺仪值、加速度值和磁力计值，经过滤波处理和数据融合得到姿态角，采用串级PID对电机进行闭环控制，完成四轴的飞行控制。遥控器和四轴之间的通信选用NRF24L01无线模块，并采用求和校验，保证数据传输过程中的完整性。使用摇杆对四轴进行控制，摇杆的每个轴其实就是一个电位器，通过单片机的AD通道对摇杆值进行采集，从而得出摇杆的位置。经过系统的软硬件调试之后，验证了系统硬件和软件方案的可靠性，遥控器与四轴飞行器之间的数据通信稳定。在经过PID参数调试之后，可以通过遥控器对四轴飞行器进行横滚角控制、俯仰角控制、航向角的控制、以及飞行加速度的控制，实现稳定飞行。
Keywords: FourAxis Vehicle; PID control ;Inertial navigation system目 录
1. 绪 论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 四轴飞行器国内外研究现状 1
1.2.1国外研究动态 1
1.2.2国内研究动态 2
2. 系统设计目标及整体方案 3
2.1设计目标 3
2.2系统整体方案 3
3. 系统硬件电路设计 5
3.1四轴飞行器电源电路设计 5
3.1.1电源系统整体方案 5
3.1.2升压电路设计 6
3.1.3降压电路设计 6
3.1.4锂电池及充电电路 6
3.1.5电池电量检测电路 7
3.2四轴飞行器信号及控制电路设计 8
3.2.1单片机最小系统设计 8
3.2.3姿态检测电路设计 10
3.2.4无线通信NRF24L01 10
3.2.5电机驱动电路 11
3.3遥控器电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072* 
路设计 12
3.3.1电源开关的电路设计 12
3.3.2电源系统整体方案 13
3.3.3人机交互系统 13
4. 软件设计方案 16
4.1四轴飞行器软件部分 16
4.1.1 创建姿态控制任务软件设计 17
4.1.2 传感器数据获取及滤波 18
4.1.3 姿态解算算法 20
4.1.4 串级PID控制 20
4.2遥控器软件部分 22
4.2.1底层硬件驱动初始化 22
4.2.2界面显示任务软件设计 24
4.2.3无线通信任务软件设计 25
4.2.4参数配置任务软件设计 26
5. 调试与分析 27
5.1无线通信的调试 27
5.2串级PID参数调试 28
6. 总结与展望 29
6.1工作总结 29
6.2展望 29
6.3对环境及社会可持续发展的影响 29
7. 参考文献 30
附录 31
附录一 四轴飞行器及遥控器原理图 31
附录二 四轴飞行器及遥控器实物图 36
附录三 系统核心源代码 36
致谢 42
绪 论
课题研究背景及意义
四轴飞行器也称为四旋翼直升机，是一种有四个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器，并具有垂直起降的功能。随着控制科学领域的不断发展，四旋翼飞行器的研究变得越来越热门。四轴飞行器可分为两种，一种是遥控飞行，另一种是自主飞行。利用四轴飞行器搭载摄像头，并配合地面遥控器的操作，实现航拍功能，具有广阔的应用市场，越来越多的人选择具有航拍功能的四轴飞行器进行拍照和摄像。四轴飞行器在农业中的也有明确的应用需求，可利用其对农作物进行农药喷洒和环境监视。
综合以上对四轴飞行器的介绍，四轴飞行器因其特有的优势，在诸多方面都受到了广泛的应用，但是飞行器在性能上不足以满足一些应用的要求，因此进一步的了解四轴飞行器，改善四轴飞行器的性能，仍然是一项具有重大意义的课题。
四轴飞行器国内外研究现状
1.2.1国外研究动态
Microdrones公司与中国安尔康姆公司合作研发了多旋翼无人机MD41000，大大的提高了其承载能力，不仅优化了控制系统使其稳定性得到了提高，而且还扩展了其功能，整个飞行器全由碳纤维制作，硬件部分包含有电子调速器、飞行控制板以及无刷直流电机、GPS、相机云台可对图像进行捕捉，能实现自主导航。MD41000如图11所示。
/ /
图 11 MD41000飞行器 图 12 宾夕法尼亚大学四轴飞行器
宾夕法尼亚大学设计了一款旋翼飞行器，该无人机引入了惯性测量模块来测量数据，并通过摄像头和传感器来进行精准的定位，在这种数据处理情况下，在室内能够稳定地飞行，并能实现避障、翻滚、以及集群飞行等高难度飞行，控制效果非常出色，图12为该飞行器项目。
1.2.2国内研究动态
国内的四旋翼产品公司主要是包括深圳市大疆创新科技有限公司、北京零度智控智能科技有限公司、小米科技有限公司等。
大疆创新科技公司不仅是无人机设计还是飞行控制系统研究都是国内的先驱。大疆的四旋翼精灵系列受到了广大消费者的喜爱与肯定。图13为Phantom 4 Vision飞行器。
/ /
图 13 Phantom 4 Vision 图 14 小米四旋翼飞行器
小米无人机具备自动起飞、自动降落、自动飞往地图目的地、沿预设轨迹自动飞行的功能。另外在飞行过程中，当操作者发现无人机没有按照飞行意图前进时，只需松开遥控器的操纵杆，无人机即会立刻原地悬停，保障新手在入门期的安全飞行。图14小米公司生产的四旋翼飞行器。
零度智控（ZEROTECH）以固定翼核心控制系统起步后扩展至多旋翼无人机领域，技术池已覆盖飞控、云台、高清图传、CV、双目、稳像等无人机关键领域。2015年12月零度智控推出“守护者”系列农业无人机，正式进军农业无人机市场。图15为零度智控公司生产的四旋翼飞行器。
/
图 15 零度智控无人机

版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jsj/wlw/279.html