四旋翼无人机高速巡查系统无人机硬件子系统
四旋翼无人机是一种以无线电遥控或由自身程序控制为主的非载人小型飞行器，它在高速巡查可以代替巡查人员完成很多任务，节约大量人力资源。本课题研究的四旋翼无人机高速巡查系统是以STM32单片机为核心控制系统，对于无人机各个模块的基础核心元件的选择做出方案，通过电子罗盘、加速度计、陀螺仪等对无人机的飞行数据进行滤波处理，解算出无人机的飞行姿态，借助PID解调器来控制电机的输出从而控制四旋翼的转速，进而实现无人机的自主飞行，并安装有摄像头对路况进行实况拍摄并通过OSD模块对图像进行传输。关键词 四旋翼无人机，单片机，自主飞行，高速巡查
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 1
1.3本文研究的主要内容 2
2 系统总体方案设计 3
2.1 系统硬件总体方案设计 3
2.2 系统软件总体方案设计 4
3 硬件模块设计 5
3.1 微控制器模块设计 5
3.2 定位导航模块设计 7
3.3电机驱动模块设计 11
3.4 无线通信模块设计 12
3.5 视频采集模块设计 14
3.6电源模块设计 15
3.7电源预警模块设计 16
4 四旋翼飞行器的制作和调试 17
4.1四旋翼无人机的制作 17
4.2 四旋翼无人机的安装 17
4.3 四旋翼无人机的调试 18
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
1 引言
1.1 课题研究背景和意义
无人机是一种无需人为操作、有自带电源驱动、可以重复使用的小型飞行器。它可以代替人类完成很多工作，如灾情监测、搜索救援、气象监测等工作，可以节约大量的人力物力[1]。但是微小型无人机本身有限的体积和负载能力的局限性，现有的一些技术无法直接用在微型无人机上使用，所以对微小型无人机的研究有着光明的前景和重大的意义[2]。
人们各项新技术的研究与发现也刺激这无人机行业的发展与进步，如今无人机在人们的日常生活和工作中的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
使用也日渐增多[3]。借助无人机“上天入地”的本领进行更加便利的拍摄工作是对无人机使用的一个很具有前景的用途，如景片拍摄、边境巡逻、地形勘察、地震监测等。无人机在这些方面有着很大的优势和光明的前景。当下无人机在火星探测领域的研究也在迅猛发展，在外太空的一些未知区域，使用无人机进行探索将避免很多未知的危险[4]。总而言之，研究无人机对于各个方面来说都有着极高的应用价值，而且，无人机的核心飞行控制系统仍属于国际前沿科技，需要自主创新，研究出有自主知识产权的飞行控制系统使我们当前的首要任务，这种需要迫在眉睫[5]。
1.2 研究现状和发展趋势
近年来，四旋翼飞行器受到了国内外广大的无人机爱好者的追捧，随着锂电池技术、航拍技术的发展，四旋翼飞行器的研究也取得了巨大的突破，四旋翼飞行器的使用价值和光明的应用前景吸引了众多研究机构的目光[6]。
目前，我国的无人机发展也十分迅速。国防科技大学开展了微小型四旋翼无人机方面的研究，自行设计并制作了一款四旋翼飞行器，它总重约750克，长约70厘米，已完成了控制系统硬件部分的开发和测试。2010年哈尔滨工程大学在校生团队自主研发“四旋翼无人飞行器”，其精巧的外观设计，卓越的性能，引得行业内专家的关注。该“微型四旋翼无人飞行器”有四个旋翼，接受到指令后，飞行器可以在原地自主起飞，不受环境因素的干扰。大疆公司是我国最先进的无人机研发公司，在多旋翼飞行器方面的研究的到了世界的认可。大疆公司有着全球最先进的飞行控制系统，研制出的操作简单，稳定性好的无人机受到广大用户的称赞[7]。
国外的无人机研究的起步早，上世纪50年代起不同概念的飞行器就不断的涌现出来。四旋翼飞行器最具代表的公司是美国的Dragan flyer公司研发的drangan flyer系列四旋翼飞行器。这种四旋翼飞行器的骨架由碳纤材料制成，因此其具有极其出色的载重能力，可以携带高清摄像机出色的完成航拍任务[8]。还有Porrot公司的AR.Drone飞行器也是十分具有代表性的一款飞行器，AR.Drone可以用手机来实现远程控制，并配备了MEMS高精度姿态传感器，AR.Drone可以很轻松的完成各种复杂的飞行指令。麻省理工学院设计了一款可以从室内完成地图绘制、定位和规避障碍的四旋翼飞行器，该系统通过激光雷达对四周的环境进行测量，并自动生成三维地图的信息数据，根据四周环境进行规避障碍和飞行路径的规划，可以用于危险环境的探测工作[9]。
1.3本文研究的主要内容
本课题研究四旋翼无人机高速巡查系统，需要实现以下这些功能：将无人机放置在起始位置A，控制台给无人机起飞指令，无人机可以自主平稳的起飞，并按照事先预定好的路线巡查，同时打开携带的摄像机对路况进行监测拍摄，巡查完毕后返回A点，巡查过程中，无人机的电量一旦达到预定警戒值，无人机将停止巡查，自动返回机库进行充电工作[10]。
由于本课题的任务要求比较多所以对于无人机飞控的核心，微控制器需要具有较强的数据处理能力和较快的运算速度，通过陀螺仪、气压计、电子罗盘、GPS等模块之间的互相协作，共同完成四旋翼无人机飞行，并实现对道路巡查拍摄，电量不足时自主返航的功能。由于本设计涉及的模块较多将会有很多的技术难点需要去攻克，以下是四旋翼无人机设计过程中将会遇到的难点：
1. 四旋翼无人机的飞控系统是无人机最核心的部分，飞控系统主要是核心控制器和各种传感器构成，由于需要实现的功能的不同所需要的传感器也就不一样，对于传感器的计算速度、反应速度要求也不一样，确保功能的实现的同时而且元件不能浪费，这要求我们对传感器的选择要好好考虑。
2. 自主导航是我们课题的一大难点，自主导航相当于无人机的眼睛，当无人机接到巡查指令后，再这过程中如何快速精准的到达指定路线，路线过程中遇到干扰、障碍物如何规避，在设计过程中提高速率和精准度，提高抗干扰能力是本课题的一大难题。
3. 信号的传输是我们需要攻克的一大难题，无人机将道路情况进行拍摄后，需要实时的将拍摄信息传输到显示器上进行显示，信号的传输能力的强弱决定着无人机对道路监测范围的大小，如何保证在无人机飞行过程中确保信号的稳定传输也是我们需要攻克的一大难题。
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 1
1.3本文研究的主要内容 2
2 系统总体方案设计 3
2.1 系统硬件总体方案设计 3
2.2 系统软件总体方案设计 4
3 硬件模块设计 5
3.1 微控制器模块设计 5
3.2 定位导航模块设计 7
3.3电机驱动模块设计 11
3.4 无线通信模块设计 12
3.5 视频采集模块设计 14
3.6电源模块设计 15
3.7电源预警模块设计 16
4 四旋翼飞行器的制作和调试 17
4.1四旋翼无人机的制作 17
4.2 四旋翼无人机的安装 17
4.3 四旋翼无人机的调试 18
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
1 引言
1.1 课题研究背景和意义
无人机是一种无需人为操作、有自带电源驱动、可以重复使用的小型飞行器。它可以代替人类完成很多工作，如灾情监测、搜索救援、气象监测等工作，可以节约大量的人力物力[1]。但是微小型无人机本身有限的体积和负载能力的局限性，现有的一些技术无法直接用在微型无人机上使用，所以对微小型无人机的研究有着光明的前景和重大的意义[2]。
人们各项新技术的研究与发现也刺激这无人机行业的发展与进步，如今无人机在人们的日常生活和工作中的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
使用也日渐增多[3]。借助无人机“上天入地”的本领进行更加便利的拍摄工作是对无人机使用的一个很具有前景的用途，如景片拍摄、边境巡逻、地形勘察、地震监测等。无人机在这些方面有着很大的优势和光明的前景。当下无人机在火星探测领域的研究也在迅猛发展，在外太空的一些未知区域，使用无人机进行探索将避免很多未知的危险[4]。总而言之，研究无人机对于各个方面来说都有着极高的应用价值，而且，无人机的核心飞行控制系统仍属于国际前沿科技，需要自主创新，研究出有自主知识产权的飞行控制系统使我们当前的首要任务，这种需要迫在眉睫[5]。
1.2 研究现状和发展趋势
近年来，四旋翼飞行器受到了国内外广大的无人机爱好者的追捧，随着锂电池技术、航拍技术的发展，四旋翼飞行器的研究也取得了巨大的突破，四旋翼飞行器的使用价值和光明的应用前景吸引了众多研究机构的目光[6]。
目前，我国的无人机发展也十分迅速。国防科技大学开展了微小型四旋翼无人机方面的研究，自行设计并制作了一款四旋翼飞行器，它总重约750克，长约70厘米，已完成了控制系统硬件部分的开发和测试。2010年哈尔滨工程大学在校生团队自主研发“四旋翼无人飞行器”，其精巧的外观设计，卓越的性能，引得行业内专家的关注。该“微型四旋翼无人飞行器”有四个旋翼，接受到指令后，飞行器可以在原地自主起飞，不受环境因素的干扰。大疆公司是我国最先进的无人机研发公司，在多旋翼飞行器方面的研究的到了世界的认可。大疆公司有着全球最先进的飞行控制系统，研制出的操作简单，稳定性好的无人机受到广大用户的称赞[7]。
国外的无人机研究的起步早，上世纪50年代起不同概念的飞行器就不断的涌现出来。四旋翼飞行器最具代表的公司是美国的Dragan flyer公司研发的drangan flyer系列四旋翼飞行器。这种四旋翼飞行器的骨架由碳纤材料制成，因此其具有极其出色的载重能力，可以携带高清摄像机出色的完成航拍任务[8]。还有Porrot公司的AR.Drone飞行器也是十分具有代表性的一款飞行器，AR.Drone可以用手机来实现远程控制，并配备了MEMS高精度姿态传感器，AR.Drone可以很轻松的完成各种复杂的飞行指令。麻省理工学院设计了一款可以从室内完成地图绘制、定位和规避障碍的四旋翼飞行器，该系统通过激光雷达对四周的环境进行测量，并自动生成三维地图的信息数据，根据四周环境进行规避障碍和飞行路径的规划，可以用于危险环境的探测工作[9]。
1.3本文研究的主要内容
本课题研究四旋翼无人机高速巡查系统，需要实现以下这些功能：将无人机放置在起始位置A，控制台给无人机起飞指令，无人机可以自主平稳的起飞，并按照事先预定好的路线巡查，同时打开携带的摄像机对路况进行监测拍摄，巡查完毕后返回A点，巡查过程中，无人机的电量一旦达到预定警戒值，无人机将停止巡查，自动返回机库进行充电工作[10]。
由于本课题的任务要求比较多所以对于无人机飞控的核心，微控制器需要具有较强的数据处理能力和较快的运算速度，通过陀螺仪、气压计、电子罗盘、GPS等模块之间的互相协作，共同完成四旋翼无人机飞行，并实现对道路巡查拍摄，电量不足时自主返航的功能。由于本设计涉及的模块较多将会有很多的技术难点需要去攻克，以下是四旋翼无人机设计过程中将会遇到的难点：
1. 四旋翼无人机的飞控系统是无人机最核心的部分，飞控系统主要是核心控制器和各种传感器构成，由于需要实现的功能的不同所需要的传感器也就不一样，对于传感器的计算速度、反应速度要求也不一样，确保功能的实现的同时而且元件不能浪费，这要求我们对传感器的选择要好好考虑。
2. 自主导航是我们课题的一大难点，自主导航相当于无人机的眼睛，当无人机接到巡查指令后，再这过程中如何快速精准的到达指定路线，路线过程中遇到干扰、障碍物如何规避，在设计过程中提高速率和精准度，提高抗干扰能力是本课题的一大难题。
3. 信号的传输是我们需要攻克的一大难题，无人机将道路情况进行拍摄后，需要实时的将拍摄信息传输到显示器上进行显示，信号的传输能力的强弱决定着无人机对道路监测范围的大小，如何保证在无人机飞行过程中确保信号的稳定传输也是我们需要攻克的一大难题。
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