四旋翼无人机的高速巡查硬件子系统(附件)
四旋翼无人机结构简单，控制灵活，应用广泛，成为目前研究的热点。本课题设计一种四旋翼无人机的高速巡查系统。考虑到系统性能要求，系统处理器采用基于ARM内核的单片机，姿态检测采用六轴陀螺仪，高度判断使用气压计，定位方式通过GPS模块完成。在此基础上，本文完成四旋翼无人机具体原理图以及PCB版图的设计，经过硬件调试证实硬件使用的可靠性，并结合软件完成仿真调试，无人机能响应相关指令，能达到系统基本性能要求。关键词 四旋翼无人机，ARM内核，姿态，高度，定位
目 录
1绪论 1
1.1课题引言 1
1.2课题研究意义 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本课题主要研究内容 4
2系统设计 5
2.1工作原理 5
2.2硬件总体结构 10
2.3各硬件模块设计 11
2.4软件设计 19
3系统调试与测试 20
3.1空载状态电池电压 20
3.2稳压电路电池电压 21
3.3电机转速调试 21
3.4四旋翼飞行调试 22
结论 23
致谢 25
参考文献 26
附录 27
1 绪论
1.1 课题引言
四旋翼无人机是一种新颖独特的高技术无人飞行器，其真实性集垂直起飞与降落于一身的特性。从外形上说结构较为简单，在飞行上自主性极其平稳，在载飞能力上相对来说具有更高的优势。四旋翼外在结构较为简单，但实际上却集结了如电子、导航、传感器、飞控等多方面技术，四旋翼已经成为一个高端的科学研究平台。我们研究四旋翼就是对这些技术进行研究和探索。再者因为四旋翼应用范围越来越广。在无人飞行器飞行过程中必然伴随着可靠性及其稳定性、传送数据需要及时准确要求等各种方面都需要更加高级别的挑战，又可以说将此种小型飞行器耦合性以及非线性作为基底，从而达到各种控制理论从研究到探索的发掘过程。无人驾驶飞机包含了主要下面几种如：旋翼无人式、固定翼式、卫星无人飞船等类型无人飞行器。本文就小型电池驱动四轴飞行器，介绍四轴飞行器的系统设计，重点讲述每个传感器硬件功能管脚及各个硬件配置，主要电路图及设 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
计算法。
1.2课题研究意义
首当其冲要说的就是对军事方面的效用，四旋翼在军事上应用极其广泛，对于截获敌方发送信息、战场环境里灵活监察、空中短距离援助都有较大优势，更为优越的是对精确目标打击具有十分高的效用。对于极其危险并且非常重要的任务，四旋翼把其飞行灵活和远程控制特长发挥的淋漓尽致，对于当代高技术战争中发挥其高速、精确为特点的无法比拟的作用。现代军事科技设计排行中，无人机犹如站在塔峰的巨人一般不可或缺，作为世界超级大国的美国，他们把无人机在战争中作为一项极其重要的部分使用着，不可置否的在反恐行动中发挥主要作用，同时无人机勘察信息能力出色因此对于获取目标方位并斩首效用出色；无人机配合性能极好，在海湾战役中发挥了其巨大的团队协作性，由以上都可以展现无人机强大的军事效用。此上无人机的重大意义是有原因的，主要来源于其全方位功能，在无人飞行器的研究上，美国在其投入力度上已经达到了新的层次，这足以显示出其对无人机的重视。除了在军事方面的用途，四旋翼在日常生活以及工农业生产等方面也是好能手，对于城市交通状况及其勘察，四旋翼可谓是能者多劳；再有四旋翼对通信信号转接极具效用，对大范围高度都能够监测，与特殊功能传感器配合使用在特殊环境及状况下可谓真正的物尽其用，对于高辐射性比如生物、核电厂等领域可以避免人工探测从而减少了很多生化辐射危险。在农业领域中，主要的调研方式包括两大类，即有现场采样调查或者采用卫星遥感进行系统勘察。对于现场抽样缺憾太多，首先人力物力消耗极大，其次对于调研人员有时必然存在人为主观性故而结果不能保证准确；而卫星遥感在效果上较为出众，比如短时间就能获得大量数据并且精度准确度很高，但是其消耗成本极大，真所谓得不偿失。因此尤其在地块状况较为复杂或者不均衡情况下，卫星遥感更加无法使用。上述两种方式都存在极大缺憾，因此在当下急需一种各方面都达到要求的设备或方案，而四旋翼无人机的高性能多功能以及在成本上大大降低正好达到此一系列要求，无人机推广必定在农业上也是不可阻挡的大趋势。
1.3 国内外研究现状
1.3.1国内研究状况
从很久以前便可以追溯出四旋翼飞行器这个概念，在我们中国，无人机真正开始很晚，应该在20世纪50年代末时候，后来又时光飞逝十年，无人机真正研发的工作才慢慢的步入正轨。尤其呢无人机发展是越来越不错了在近几年以来，四旋翼无人机需要研发，因此，国内不少高校和企业在近几年也取得了巨大进步与长足发展。
在我国西安的爱生技术集团的不断努力下，无人机真正有了发展，并且真正意义上其是我国将科研与发展集于一身的无人机最大研发基地，无人机就是他们主要针对的项目并且对中小型无人机大力研制与开发。南京高校南航经过数十年的大力投入，由于他们坚持不懈的态度如今已经研发了十好几种无人机，到今天为止，上百余架不同型号无人机已经是他们科研室里面至关重要的每个成员。控制无人机身体与GPS导航自动化被他们用特殊技术集于一身，飞行上的高技术控制性平台已经被他们开发出来，在四旋翼飞控系统中技术性的运用了经过高发设计出来的DI/QFT控制器，系统重要性能鲁棒性得到了大幅度的改善，更加值得庆贺的是对飞行控制器大量的姿态角的准确度等级升高了许多。车载视觉方面的技术信息曾经被天津大学的一些研究者装载于无人机上面，成功打破了微小型四旋翼无人机通过GPS准确定位下能够自主飞行的界限。除此还有其它地方，已经经由清华的自动化院系发出来的‘ＩＴＨ民ＯＮＥ无人机’于2012年勉励了国际舞台上最完美控制系统奖,在大赛的中间历程是不允许运用例如GPS等的外在定位设备，非常高的要求所有的机器载用传感器系统从而达到自主定位、导航和控制。更加令人振奋的这个无人机完美的的实现了加接多传感器在不可预知环境的信息侦查和对事先无法了解的飞行环境予以重新建立等复杂工作。
除了上述这些典型的高校和企业之外，北京航空航天大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等各大高校也对四旋翼飞行器进行各方面的研究。因此，近几年来，我国在四旋翼飞行取得了不小的成就。
目 录
1绪论 1
1.1课题引言 1
1.2课题研究意义 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本课题主要研究内容 4
2系统设计 5
2.1工作原理 5
2.2硬件总体结构 10
2.3各硬件模块设计 11
2.4软件设计 19
3系统调试与测试 20
3.1空载状态电池电压 20
3.2稳压电路电池电压 21
3.3电机转速调试 21
3.4四旋翼飞行调试 22
结论 23
致谢 25
参考文献 26
附录 27
1 绪论
1.1 课题引言
四旋翼无人机是一种新颖独特的高技术无人飞行器，其真实性集垂直起飞与降落于一身的特性。从外形上说结构较为简单，在飞行上自主性极其平稳，在载飞能力上相对来说具有更高的优势。四旋翼外在结构较为简单，但实际上却集结了如电子、导航、传感器、飞控等多方面技术，四旋翼已经成为一个高端的科学研究平台。我们研究四旋翼就是对这些技术进行研究和探索。再者因为四旋翼应用范围越来越广。在无人飞行器飞行过程中必然伴随着可靠性及其稳定性、传送数据需要及时准确要求等各种方面都需要更加高级别的挑战，又可以说将此种小型飞行器耦合性以及非线性作为基底，从而达到各种控制理论从研究到探索的发掘过程。无人驾驶飞机包含了主要下面几种如：旋翼无人式、固定翼式、卫星无人飞船等类型无人飞行器。本文就小型电池驱动四轴飞行器，介绍四轴飞行器的系统设计，重点讲述每个传感器硬件功能管脚及各个硬件配置，主要电路图及设 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
计算法。
1.2课题研究意义
首当其冲要说的就是对军事方面的效用，四旋翼在军事上应用极其广泛，对于截获敌方发送信息、战场环境里灵活监察、空中短距离援助都有较大优势，更为优越的是对精确目标打击具有十分高的效用。对于极其危险并且非常重要的任务，四旋翼把其飞行灵活和远程控制特长发挥的淋漓尽致，对于当代高技术战争中发挥其高速、精确为特点的无法比拟的作用。现代军事科技设计排行中，无人机犹如站在塔峰的巨人一般不可或缺，作为世界超级大国的美国，他们把无人机在战争中作为一项极其重要的部分使用着，不可置否的在反恐行动中发挥主要作用，同时无人机勘察信息能力出色因此对于获取目标方位并斩首效用出色；无人机配合性能极好，在海湾战役中发挥了其巨大的团队协作性，由以上都可以展现无人机强大的军事效用。此上无人机的重大意义是有原因的，主要来源于其全方位功能，在无人飞行器的研究上，美国在其投入力度上已经达到了新的层次，这足以显示出其对无人机的重视。除了在军事方面的用途，四旋翼在日常生活以及工农业生产等方面也是好能手，对于城市交通状况及其勘察，四旋翼可谓是能者多劳；再有四旋翼对通信信号转接极具效用，对大范围高度都能够监测，与特殊功能传感器配合使用在特殊环境及状况下可谓真正的物尽其用，对于高辐射性比如生物、核电厂等领域可以避免人工探测从而减少了很多生化辐射危险。在农业领域中，主要的调研方式包括两大类，即有现场采样调查或者采用卫星遥感进行系统勘察。对于现场抽样缺憾太多，首先人力物力消耗极大，其次对于调研人员有时必然存在人为主观性故而结果不能保证准确；而卫星遥感在效果上较为出众，比如短时间就能获得大量数据并且精度准确度很高，但是其消耗成本极大，真所谓得不偿失。因此尤其在地块状况较为复杂或者不均衡情况下，卫星遥感更加无法使用。上述两种方式都存在极大缺憾，因此在当下急需一种各方面都达到要求的设备或方案，而四旋翼无人机的高性能多功能以及在成本上大大降低正好达到此一系列要求，无人机推广必定在农业上也是不可阻挡的大趋势。
1.3 国内外研究现状
1.3.1国内研究状况
从很久以前便可以追溯出四旋翼飞行器这个概念，在我们中国，无人机真正开始很晚，应该在20世纪50年代末时候，后来又时光飞逝十年，无人机真正研发的工作才慢慢的步入正轨。尤其呢无人机发展是越来越不错了在近几年以来，四旋翼无人机需要研发，因此，国内不少高校和企业在近几年也取得了巨大进步与长足发展。
在我国西安的爱生技术集团的不断努力下，无人机真正有了发展，并且真正意义上其是我国将科研与发展集于一身的无人机最大研发基地，无人机就是他们主要针对的项目并且对中小型无人机大力研制与开发。南京高校南航经过数十年的大力投入，由于他们坚持不懈的态度如今已经研发了十好几种无人机，到今天为止，上百余架不同型号无人机已经是他们科研室里面至关重要的每个成员。控制无人机身体与GPS导航自动化被他们用特殊技术集于一身，飞行上的高技术控制性平台已经被他们开发出来，在四旋翼飞控系统中技术性的运用了经过高发设计出来的DI/QFT控制器，系统重要性能鲁棒性得到了大幅度的改善，更加值得庆贺的是对飞行控制器大量的姿态角的准确度等级升高了许多。车载视觉方面的技术信息曾经被天津大学的一些研究者装载于无人机上面，成功打破了微小型四旋翼无人机通过GPS准确定位下能够自主飞行的界限。除此还有其它地方，已经经由清华的自动化院系发出来的‘ＩＴＨ民ＯＮＥ无人机’于2012年勉励了国际舞台上最完美控制系统奖,在大赛的中间历程是不允许运用例如GPS等的外在定位设备，非常高的要求所有的机器载用传感器系统从而达到自主定位、导航和控制。更加令人振奋的这个无人机完美的的实现了加接多传感器在不可预知环境的信息侦查和对事先无法了解的飞行环境予以重新建立等复杂工作。
除了上述这些典型的高校和企业之外，北京航空航天大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等各大高校也对四旋翼飞行器进行各方面的研究。因此，近几年来，我国在四旋翼飞行取得了不小的成就。
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