ubuntu的小型无人机控制系统设计【字数：17747】
四轴飞行器是一种拥有四个旋翼的飞行器,旋翼对角对称，随着传感器，数据处理，锂电池技术和高集成度电机技术的进步，使得微小型四旋翼无人机的发展成为现实。本设计主要做了如下工作首先研究了四轴无人机的种类和当前的研究成果和控制方法，接着对四轴无人机的飞行原理进行了全面的解释并绘制了对应的示意图，给出了实现不同姿态需要变化的因素，并总结成表。其次在现有文献的基础上整合建立了四轴无人机的数学模型，将其简化后使用MATLAB搭建框图进行仿真。接着给出了四轴无人机的硬件配置并完成了硬件模块的安装。然后在ubuntu环境下依托GITHUB进行了代码的调用，借助Cleanflight进行调试与烧录，实现无人机的基本姿态控制。最终完成的小型无人机具备飞行能力，且能实现基本的姿态控制。
目 录
1.绪论 1
1.1课题背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本文主要内容 2
1.4章节安排 2
2.四轴无人机的飞行原理分析 4
2.1无人机结构框架及飞行原理 4
2.2无人机飞行原理 5
2.3本章小结 9
3.无人机数学建模 10
3.1无人机数学模型 10
3.2非线性模型简化 15
3.3方程组线性化 17
3.4本章小结 20
4.四轴无人机控制器 21
4.1 PID控制器 21
4.2 Matlab仿真与分析 22
4.3本章小结 26
5.硬件设计 27
5.1需求分析 27
5.2模块介绍 27
3.3四轴开发板 28
5.4本章小结 33
6.软件应用部分 34
6.1Ubuntu环境搭建 34
6.2调用GITHUB工程包 34
6.3烧录与校准 38
4.4本章小结 39
7.飞行调试 41
7.1调试 41
7.2遥控器配对 42
7.3第一次试飞 43
7.4模拟飞行 44
7.5本 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
章小结 45
总结与展望 46
总结 46
展望 46
参考文献 47
致 谢 49
1.绪论
1.1课题背景
四轴无人机作为一种机动灵活机动的飞行器，应用场景广泛：
(1）军事领域：四轴飞行器作为一种超低空的无人机，拥有体积小，热辐射小，飞行高度低的天然优势。使得其机动性与隐蔽性俱佳，因而，四轴飞行器可以与大型固定翼飞行器互补，用于执行地形勘探、反恐、敌方信号干扰等任务。
(2）物流领域：无人机快递，即通过利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的无人驾驶的低空飞行器运载包裹，自动送达目的地，其优点主要在于解决短距离高难度物资配给问题，例如山地景区或边防物资配送问题，提高配送效率，同时减少人力成本。
(3）农业植保领域：由于四轴飞行器操作简单，价格亲民，对起飞环境要求低，可在田间地头垂直起降的特点，四轴飞行器目前正广泛被应用于农作物打药，避免了人工打药对人体的伤害，且能够第一时间对大面积的农作物进行打药除害，降低了病虫害对农作物造成的损失，积极地响应的国家农业现代化的号召。
(4）消防安全领域：2019年3月30日，四川凉山突发森林大火。30血肉之躯在与火情的斗争中陨落，铮铮铁骨不惧死亡，英雄事迹值得赞扬。同时也应该想到，在面对无情的水火时，年轻生命的消亡不该是必然的，假如我们有足够数量和足够先进的装备。小型无人机可实时监测火情和受灾情况，大型无人机携带阻燃物有重点有目标地阻隔火势的方向，减少天灾人祸带来的巨大伤害，让人民守卫者的家人不再收获绝望。
四轴无人机由于其在区域监控，建筑搜索，灾情监测，植保，物流，危险环境侦查等方面拥有优势。同时，因为四轴无人机还存在承重有限、续航时长较弱、不防水、自主巡航能力不足等缺陷，因此四轴无人机具有重大的研究意义和价值。
1.2国内外研究现状
国外的各个研究单位主要在研究四轴无人机不同算法对无人机稳定性和鲁棒性的作用。J.X.Shen等人在《Analyses?and?compensationof?rotor?position?detection?error?in sensorless?PM?brushless?DC?motor?drives》中提出一种采用双光流传感器结合 Harris 角点检测算法控制四旋翼飞行器定点悬停的方法，验结果表明：该方法能够有效的提高四旋翼飞行器的稳定性。Jay?Esfandyari等人在《?MEMS陀螺仪技术简介》中提出了基于自适应积分反步法与混合滤波算法相结合的控制算法，结果表明，应用自适应积分反步法与混合滤波算法相结合的控制算法的无人机对较强的噪声干扰具有一定的鲁棒性，能使四旋翼稳定悬停。David?H在《捷连惯性导航技术》中引入了量子粒子群算法进行参数优化下的神经元PID控制，仿真结果验证了本文设计控制器的有效器具有较好的响应速度、抗干扰性。
国内在研究方向与国外大体一致，除此之外还在研究不同的通信方式。李尧等人在《四轴无人机控制系统设计》采用了无线数据通信SX1278模块，增加了无人机和手机之间的蓝牙通信功能，可使用手机直接操作无人机。除了常用了两叶桨，冯旭光等人在《四旋翼无人机自主控制系统设计》中分别测试了三叶桨和两叶桨的性能，发现同等条件下，三叶桨能提供的动能更大。在应用方面，冯新宇等人在《四旋翼无人飞行器设计》中提出增加检测模块，能让无人机具备电力巡线的功能。
无论国内外，目前对于四轴无人机的研究主要集中在四轴飞行器的结构、飞行控制算法以及能源动力等方面。
1.3本文主要内容
本文主要依托深圳创客火公司产品“四轴开源开发板”的开发过程做详细解读。主要内容有：
1.根据四轴无人机的物理性质对其结构进行分析，并对飞行原理与旋翼的关系做详细的图文解释。
目 录
1.绪论 1
1.1课题背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本文主要内容 2
1.4章节安排 2
2.四轴无人机的飞行原理分析 4
2.1无人机结构框架及飞行原理 4
2.2无人机飞行原理 5
2.3本章小结 9
3.无人机数学建模 10
3.1无人机数学模型 10
3.2非线性模型简化 15
3.3方程组线性化 17
3.4本章小结 20
4.四轴无人机控制器 21
4.1 PID控制器 21
4.2 Matlab仿真与分析 22
4.3本章小结 26
5.硬件设计 27
5.1需求分析 27
5.2模块介绍 27
3.3四轴开发板 28
5.4本章小结 33
6.软件应用部分 34
6.1Ubuntu环境搭建 34
6.2调用GITHUB工程包 34
6.3烧录与校准 38
4.4本章小结 39
7.飞行调试 41
7.1调试 41
7.2遥控器配对 42
7.3第一次试飞 43
7.4模拟飞行 44
7.5本 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
章小结 45
总结与展望 46
总结 46
展望 46
参考文献 47
致 谢 49
1.绪论
1.1课题背景
四轴无人机作为一种机动灵活机动的飞行器，应用场景广泛：
(1）军事领域：四轴飞行器作为一种超低空的无人机，拥有体积小，热辐射小，飞行高度低的天然优势。使得其机动性与隐蔽性俱佳，因而，四轴飞行器可以与大型固定翼飞行器互补，用于执行地形勘探、反恐、敌方信号干扰等任务。
(2）物流领域：无人机快递，即通过利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的无人驾驶的低空飞行器运载包裹，自动送达目的地，其优点主要在于解决短距离高难度物资配给问题，例如山地景区或边防物资配送问题，提高配送效率，同时减少人力成本。
(3）农业植保领域：由于四轴飞行器操作简单，价格亲民，对起飞环境要求低，可在田间地头垂直起降的特点，四轴飞行器目前正广泛被应用于农作物打药，避免了人工打药对人体的伤害，且能够第一时间对大面积的农作物进行打药除害，降低了病虫害对农作物造成的损失，积极地响应的国家农业现代化的号召。
(4）消防安全领域：2019年3月30日，四川凉山突发森林大火。30血肉之躯在与火情的斗争中陨落，铮铮铁骨不惧死亡，英雄事迹值得赞扬。同时也应该想到，在面对无情的水火时，年轻生命的消亡不该是必然的，假如我们有足够数量和足够先进的装备。小型无人机可实时监测火情和受灾情况，大型无人机携带阻燃物有重点有目标地阻隔火势的方向，减少天灾人祸带来的巨大伤害，让人民守卫者的家人不再收获绝望。
四轴无人机由于其在区域监控，建筑搜索，灾情监测，植保，物流，危险环境侦查等方面拥有优势。同时，因为四轴无人机还存在承重有限、续航时长较弱、不防水、自主巡航能力不足等缺陷，因此四轴无人机具有重大的研究意义和价值。
1.2国内外研究现状
国外的各个研究单位主要在研究四轴无人机不同算法对无人机稳定性和鲁棒性的作用。J.X.Shen等人在《Analyses?and?compensationof?rotor?position?detection?error?in sensorless?PM?brushless?DC?motor?drives》中提出一种采用双光流传感器结合 Harris 角点检测算法控制四旋翼飞行器定点悬停的方法，验结果表明：该方法能够有效的提高四旋翼飞行器的稳定性。Jay?Esfandyari等人在《?MEMS陀螺仪技术简介》中提出了基于自适应积分反步法与混合滤波算法相结合的控制算法，结果表明，应用自适应积分反步法与混合滤波算法相结合的控制算法的无人机对较强的噪声干扰具有一定的鲁棒性，能使四旋翼稳定悬停。David?H在《捷连惯性导航技术》中引入了量子粒子群算法进行参数优化下的神经元PID控制，仿真结果验证了本文设计控制器的有效器具有较好的响应速度、抗干扰性。
国内在研究方向与国外大体一致，除此之外还在研究不同的通信方式。李尧等人在《四轴无人机控制系统设计》采用了无线数据通信SX1278模块，增加了无人机和手机之间的蓝牙通信功能，可使用手机直接操作无人机。除了常用了两叶桨，冯旭光等人在《四旋翼无人机自主控制系统设计》中分别测试了三叶桨和两叶桨的性能，发现同等条件下，三叶桨能提供的动能更大。在应用方面，冯新宇等人在《四旋翼无人飞行器设计》中提出增加检测模块，能让无人机具备电力巡线的功能。
无论国内外，目前对于四轴无人机的研究主要集中在四轴飞行器的结构、飞行控制算法以及能源动力等方面。
1.3本文主要内容
本文主要依托深圳创客火公司产品“四轴开源开发板”的开发过程做详细解读。主要内容有：
1.根据四轴无人机的物理性质对其结构进行分析，并对飞行原理与旋翼的关系做详细的图文解释。
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