四旋翼无人机的高速巡查软件子系统(附件)
四旋翼是一种智能飞行器，近几年随着人工智能和自动控制行业的发展，人们对于四旋翼的高机动性、易携带性等特性非常青睐。目前，四旋翼的巡航成为研究这一强非线性、强耦合性和干扰敏感的模型的主要热点之一。 本文首先介绍了四旋翼的飞行原理与结构，然后根据此结构框架设计出一套四旋翼自动控制系统，并且完成调试成功试飞。本系统，硬件处理器使用的STM32F103作为主控芯片，借助惯性传感器MPU6050读取加速度与角度数据，通过气压计MS5611和GPS获得高度和位置数据保持空间位置的稳定。在程序设计方面，采用滑窗滤波和二阶IIR滤波对角速度、加速度和高度数据进行处理，采用四元素与欧拉角方法进行机体的姿态解算，采用PID算法进行飞机输出的PWM波的控制，最后实现四旋翼的飞行。关键词 四旋翼，四元数，欧拉角，PID
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 国内外研究进展 1
1.3 主要研究内容与结构 2
2 四旋翼工作原理与姿态表示 3
2.1 四旋翼工作原理 3
2.2 四旋翼的姿态 4
2.3 四旋翼的建模分析 6
3 四旋翼高速巡航的硬件设计 7
3.1 四旋翼的硬件总体结构 7
3.2 四旋翼主要硬件模块介绍 8
4 四旋翼高速巡航的软件设计 11
4.1 编程语言与软件编译器 11
4.2 控制程序总体结构 13
4.3 传感器程序设计 14
4.4 数据处理算法 20
4.5 四元素姿态角 22
4.6 双环PID控制算法设计 24
5 软件仿真 25
5.1 模型的建模与算法仿真 25
5.2 联调仿真 26
结论 30
致谢 31
参考文献 32
附录A 原理图 33
附录B 原理图 34
附录C 主要核心程序 35
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
无人机[1]在上个 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
世纪20年代开始出现。当它首次出现时，它被用作无人驾驶飞机进行防空训练。目前无人机大致分为固定翼无人机与旋翼无人机，旋翼一般是使用四旋翼、八旋翼、十六旋翼，固定翼在滑翔翼应用较多。四旋翼它具有结构简单四个螺旋桨成十字分布，能够依靠硬件电路和软件代码进行姿态的迅速调整，达到指定的位置高度，在现代的农业灌溉、高速公路巡检、地形侦探等行业有着广泛应用。
四旋翼是飞行器的一个分支，相较于其他分支，四旋翼具有非常明显的的优点：第一，它的结构组成非常简单便于安装拆卸，第二，四旋翼的四个电机对称分布，相邻旋翼间采用正、反桨安装在无刷电机上。相邻无刷电机间旋转方向相反[2]。这样就可以抵消电机旋转所产生的扭矩。并且，旋翼的分布是对称，灵活性很强可以完成滑翔翼所不具备的垂直飞行和悬停功能。再次，四旋翼的可操作性比较强很容易控制稳定性较好，通过改变电机的PWM输入占空比大小便可以改变姿态与位置 [2]。
目前人工智能的和集成电路的发展很迅猛，四旋翼的应用与研究成为了关注的焦点之一，国内外学者对于此领域的研究也进一步深入。四旋翼体积质量都在飞行器中较小导致其飞行时候噪声会比较大。由于是四个电机控制四旋翼的动力比较充足，并且操作简单，机体结构保证了它飞行非常稳定，在低空和小空间飞行都有很好的效果。改变四旋翼姿态与位置是通过改变PWM波形来控制四个电机的转速来达到。四旋翼的系统是一个非线性的强耦合的。同时，四旋翼飞行器为自动控制、传感技术研究以及数学建模等诸多学科领域的深入研究提供了一个很好的研究平台[3]。
随着生活中的应用变多，在高速公路上迫切需要无人化、自动化的革新。四旋翼无人机高速巡航的自主性正符合这一要求，对于违章占用车道进行取证，对于交通事故进行拍摄，对于路段交通状况实时反馈。
1.2 国内外研究进展
在1907年四旋翼飞行器才开始出现在人们的视野里，拥有法国国籍的布鲁赫兄弟使得第一架四旋翼面世。由于当时的技术限制，四旋翼的控制只停留在人工上，所以试飞很差。在四旋翼刚刚出现发展的前几十年里，四旋翼始终是个飞行器需要搭载飞行员进行控制才能勉强飞行。直到近代微电子和材料行业的迅猛发展，传感器和电路的体积越来越小，四旋翼才从原有的有人驾驶控制旋翼变为可以被控制的无人飞机。如此四旋翼的无人机真正的出现且发展迅猛。在日常生活中，四旋翼作为新奇物品广为人们的青睐。当前国内外在这一领域的公司非常多，国外最为出色的3DR公司，国内后发展却目前技术领先的大疆公司。
进入现在，四旋翼的研究逐渐成为热点，广泛受到国内外关注，特别是世界高端的大学。国内最这一领域有着很深研究的是几所航天航空大学与国内几所一流大学，比如清华、北大。国内起步都比较晚，从一开始的机体控制与稳定性研究到现在的多机协作阵列控制，从浅入深。控制四旋翼无人机从开始的遥控设备到电脑或者手机控制，甚至出现了手势控制与人脑神经控制。随着AI的发展，智能化成为了当前的要求，语音控制四旋翼也成为了当前的一个重要研究方向。国外在这领域发展较早，宾夕法尼亚大学首先研究了四旋翼多机阵列飞行，每个飞机上都安装有摄像头来确定自己与周围飞机。斯坦福大学在这一领域非常有创新性，他造出了只有硬币大小的四旋翼，把四旋翼在体型上带入了微型阶段。麻省理工大学，在四旋翼避障做出了很大的贡献，他使用摄像头与激光成像描绘出当前的地理特点，并根据机体的相对位置进行飞行路线调整。电子行业和控制行业都在飞速发展，未来的四旋翼发展一定会更加智能化。
1.3 主要研究内容与结构
本文在四旋翼硬件的基础上，构建了一个四旋翼自主控制自适应系统。在能有平稳飞行的基础上实现自主起飞和降落，硬件处理器采用的以M3为内核的STM32F103芯片，采用三轴加速度与三轴陀螺仪集成的六轴惯性单元MPU6050，采用气压计 MS5611进行气压采集获取高度信息，采用磁力计HMC5883L获取当前飞机的地磁方位。数据处理除了个别传感器本身的自我校准与自带的低通滤波外我们采用IIR滤波与滑窗均值滤波。用欧拉角与四元素的方法进行机体的姿态解算获取机体的空间状态，采用PID算法进行当前姿态与期望姿态比较进行PWM波的调整，最后实现四旋翼的飞行。
本文组成结构如下所示：
第一章的内容是绪论，介绍了本毕业设计的研究背景和研究意义、国内外发展现状以及本文的主要结构。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 国内外研究进展 1
1.3 主要研究内容与结构 2
2 四旋翼工作原理与姿态表示 3
2.1 四旋翼工作原理 3
2.2 四旋翼的姿态 4
2.3 四旋翼的建模分析 6
3 四旋翼高速巡航的硬件设计 7
3.1 四旋翼的硬件总体结构 7
3.2 四旋翼主要硬件模块介绍 8
4 四旋翼高速巡航的软件设计 11
4.1 编程语言与软件编译器 11
4.2 控制程序总体结构 13
4.3 传感器程序设计 14
4.4 数据处理算法 20
4.5 四元素姿态角 22
4.6 双环PID控制算法设计 24
5 软件仿真 25
5.1 模型的建模与算法仿真 25
5.2 联调仿真 26
结论 30
致谢 31
参考文献 32
附录A 原理图 33
附录B 原理图 34
附录C 主要核心程序 35
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
无人机[1]在上个 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
世纪20年代开始出现。当它首次出现时，它被用作无人驾驶飞机进行防空训练。目前无人机大致分为固定翼无人机与旋翼无人机，旋翼一般是使用四旋翼、八旋翼、十六旋翼，固定翼在滑翔翼应用较多。四旋翼它具有结构简单四个螺旋桨成十字分布，能够依靠硬件电路和软件代码进行姿态的迅速调整，达到指定的位置高度，在现代的农业灌溉、高速公路巡检、地形侦探等行业有着广泛应用。
四旋翼是飞行器的一个分支，相较于其他分支，四旋翼具有非常明显的的优点：第一，它的结构组成非常简单便于安装拆卸，第二，四旋翼的四个电机对称分布，相邻旋翼间采用正、反桨安装在无刷电机上。相邻无刷电机间旋转方向相反[2]。这样就可以抵消电机旋转所产生的扭矩。并且，旋翼的分布是对称，灵活性很强可以完成滑翔翼所不具备的垂直飞行和悬停功能。再次，四旋翼的可操作性比较强很容易控制稳定性较好，通过改变电机的PWM输入占空比大小便可以改变姿态与位置 [2]。
目前人工智能的和集成电路的发展很迅猛，四旋翼的应用与研究成为了关注的焦点之一，国内外学者对于此领域的研究也进一步深入。四旋翼体积质量都在飞行器中较小导致其飞行时候噪声会比较大。由于是四个电机控制四旋翼的动力比较充足，并且操作简单，机体结构保证了它飞行非常稳定，在低空和小空间飞行都有很好的效果。改变四旋翼姿态与位置是通过改变PWM波形来控制四个电机的转速来达到。四旋翼的系统是一个非线性的强耦合的。同时，四旋翼飞行器为自动控制、传感技术研究以及数学建模等诸多学科领域的深入研究提供了一个很好的研究平台[3]。
随着生活中的应用变多，在高速公路上迫切需要无人化、自动化的革新。四旋翼无人机高速巡航的自主性正符合这一要求，对于违章占用车道进行取证，对于交通事故进行拍摄，对于路段交通状况实时反馈。
1.2 国内外研究进展
在1907年四旋翼飞行器才开始出现在人们的视野里，拥有法国国籍的布鲁赫兄弟使得第一架四旋翼面世。由于当时的技术限制，四旋翼的控制只停留在人工上，所以试飞很差。在四旋翼刚刚出现发展的前几十年里，四旋翼始终是个飞行器需要搭载飞行员进行控制才能勉强飞行。直到近代微电子和材料行业的迅猛发展，传感器和电路的体积越来越小，四旋翼才从原有的有人驾驶控制旋翼变为可以被控制的无人飞机。如此四旋翼的无人机真正的出现且发展迅猛。在日常生活中，四旋翼作为新奇物品广为人们的青睐。当前国内外在这一领域的公司非常多，国外最为出色的3DR公司，国内后发展却目前技术领先的大疆公司。
进入现在，四旋翼的研究逐渐成为热点，广泛受到国内外关注，特别是世界高端的大学。国内最这一领域有着很深研究的是几所航天航空大学与国内几所一流大学，比如清华、北大。国内起步都比较晚，从一开始的机体控制与稳定性研究到现在的多机协作阵列控制，从浅入深。控制四旋翼无人机从开始的遥控设备到电脑或者手机控制，甚至出现了手势控制与人脑神经控制。随着AI的发展，智能化成为了当前的要求，语音控制四旋翼也成为了当前的一个重要研究方向。国外在这领域发展较早，宾夕法尼亚大学首先研究了四旋翼多机阵列飞行，每个飞机上都安装有摄像头来确定自己与周围飞机。斯坦福大学在这一领域非常有创新性，他造出了只有硬币大小的四旋翼，把四旋翼在体型上带入了微型阶段。麻省理工大学，在四旋翼避障做出了很大的贡献，他使用摄像头与激光成像描绘出当前的地理特点，并根据机体的相对位置进行飞行路线调整。电子行业和控制行业都在飞速发展，未来的四旋翼发展一定会更加智能化。
1.3 主要研究内容与结构
本文在四旋翼硬件的基础上，构建了一个四旋翼自主控制自适应系统。在能有平稳飞行的基础上实现自主起飞和降落，硬件处理器采用的以M3为内核的STM32F103芯片，采用三轴加速度与三轴陀螺仪集成的六轴惯性单元MPU6050，采用气压计 MS5611进行气压采集获取高度信息，采用磁力计HMC5883L获取当前飞机的地磁方位。数据处理除了个别传感器本身的自我校准与自带的低通滤波外我们采用IIR滤波与滑窗均值滤波。用欧拉角与四元素的方法进行机体的姿态解算获取机体的空间状态，采用PID算法进行当前姿态与期望姿态比较进行PWM波的调整，最后实现四旋翼的飞行。
本文组成结构如下所示：
第一章的内容是绪论，介绍了本毕业设计的研究背景和研究意义、国内外发展现状以及本文的主要结构。
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