单片机的微型无人机设计软件部分
本文利用四旋翼无人机验证串级PID与互补滤波技术对于飞行控制的优化。首先，对四旋翼飞行器的动力学特点和控制原理进行阐述，用推导出的传递函数做姿态仿真。选取四旋翼的姿态角作为控制对象，在simulink中搭建控制模型，使用matlab设计PID控制器。仿真结果表明系统在受到干扰时，串级PID比单级PID在调节时间和减少超调方面的优势。其次，介绍捷联惯性导航，利用互补滤波器将陀螺仪、加速度计数据进行融合，并与原始数据进行对比，检验了互补滤波算法的有效性。实验表明，互补滤波器能进行有效的数据融合，使数据更加平滑。最后，把KEIL编写的C 语言程序下载到单片机，对飞行控制系统进行调试以及空中试飞，最后得出结论所编译程序能够满足一般飞行要求。关键词 无人机，四旋翼，串级PID控制，互补滤波，MATLAB仿真
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 国内外飞行控制系统研究现状 1
1.3 课题主要研究内容及关键技术 2
2 飞行控制系统的原理及姿态控制算法设计 3
2.1 微型无人机控制原理 3
2.2 飞行控制系统控制算法设计 5
2.3 本章小结 12
3 导航算法研究 12
3.1 互补滤波器的解算原理与设计 12
3.2 捷联式惯性导航算法 14
3.3 本章小结 19
4 飞行控制系统的软硬件设计 19
4.1 硬件总体设计及设计目标 20
4.2 硬件的各模块概述 20
4.3 飞行控制系统软件设计 25
4.4 软件的各模块设计 25
4.5 本章小结 31
5 飞行控制系统调试与试飞 31
5.1 电源测试 31
5.2 参数整定 31
5.3 整机调试与试飞 32
5.4 本章小结 32
结论 33
致谢 34
参考文献 35
附录 系统软件程序代码 37
1 绪论
本论文 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
所讨论的无人机限定为四旋翼。作为无人机系统最为重要的一个分系统，飞行控制系统的性能对整个系统的性能具有决定性作用，因此它的设计也是最为关键的。
1.1 课题的研究背景与意义
无人机是一种无人驾驶的航空器，它体积小、成本少、可装载制导系统、雷达系统与摄像机等设备，用途广泛，不会造成人员伤亡[1]。无人机按照飞行机理分为固定翼和旋翼类无人机。
固定翼无人机在控制技术上日趋成熟，研究重点从单一机体转向多任务协调。各国军方逐渐对无人机在战争的重要地位引起重视，美国海军就在海湾战争、伊拉克战争中大量使用“捕食者”和“全球鹰”无人侦察机进行侦察、监视、目标获取及打击等，充分释放了无人机的军事战略光芒[2]。
旋翼类无人机由于具有良好的环境适应能力、复杂地形自主起飞和着陆能力、出色的悬停等优势，成为当前热门的研究课题。国际空中机器人竞赛（Intermational Aerial RobotCompetition，IARC），由国际无人机运输系统协会组织，吸引了全球的爱好者。
在航空工业、微电子技术、推进系统、新能源和新材料等领域，微小型无人机变得举足轻重。由于它微小型的尺寸和各类起降等条件，被致力于在战争中突破雷达封锁、电子侦察等[3]。无人机的反恐安防、森林火警、航拍巡视等被广泛用于各个领域，使传统任务设备的信息获取通道被延伸，任务盲点被更快捷、高效、直接地扫除[4]。
无人机飞行控制系统主要包括环境数据采集、飞行控制器、执行机构、数据通信等方面[4]，飞行控制器的内部有许多环境和姿态传感器，实时获取无人机的飞行状态，通过飞行控制算法的引导下，控制各执行机构，在没有操纵的情况下自主飞行以及完成复杂任务，还利用机载数据传输设备以此与地面站数据交流[4]。飞行控制系统的研发涉及传感技术、信号处理、自动控制等众多方面，可以说是走在技术上的前沿。
1.2 国内外飞行控制系统研究现状
固定翼无人机在控制技术方面起步早，其研究不仅仅满足于无人机本身的结构、动力等问题，更致力于解决飞行过程中的长久性和气候恶劣等问题，从而提高无人机的生存与作战效果[14]。传统旋翼无人机却一直未得到广泛应用，因为其机械结构繁杂、通道严重耦合、控制算法受限[5]。
在固定翼飞控研究领域，国外已有商业化一体方案，从主要的飞行控制器硬件、软件与配件，到地面控制站、第一人称飞行设备等应有尽有。具有代表性的例如：美国云帽公司picclo系列与Crossbow公司的MNAV+Stargate的自动驾驶仪。分别如图1.1、1.2所示。
/
图1.1 Piccolo系列 图1.2 MNAV + Stargate自动驾驶仪
在国内多旋翼无人机中，在商用航拍领域取得了较大的市场份额的是大疆创新。它主要面向商用及工业用途，传感器元件集成精度高，涉及温度补偿算法和工业化的精准校准[6]，性能稳定、高效、可靠。图1.3是大疆无人机的A2飞行控制器。图1.4是深圳一电科技的AEE飞控集成模块。
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图1.3 A2飞行控制器 图1.4 AEE飞控集成模块
1.3 课题主要研究内容及关键技术
本文是四旋翼的飞行控制系统，用控制算法进行控制器改良，期望提高其性能。打算选用型号的单片机，设计传感器接口电路、外围存储扩展电路、通信接口电路来构成飞行控制器；在实验室现有条件下，进行硬件测试并进一步完善电路。
本系统需要解决的关键技术包括：
（1）根据现有文献中四旋翼无人机的运动模型，研究PID控制算法并用Matlab进行仿真，满足动态响应快、稳定性好等特点。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 国内外飞行控制系统研究现状 1
1.3 课题主要研究内容及关键技术 2
2 飞行控制系统的原理及姿态控制算法设计 3
2.1 微型无人机控制原理 3
2.2 飞行控制系统控制算法设计 5
2.3 本章小结 12
3 导航算法研究 12
3.1 互补滤波器的解算原理与设计 12
3.2 捷联式惯性导航算法 14
3.3 本章小结 19
4 飞行控制系统的软硬件设计 19
4.1 硬件总体设计及设计目标 20
4.2 硬件的各模块概述 20
4.3 飞行控制系统软件设计 25
4.4 软件的各模块设计 25
4.5 本章小结 31
5 飞行控制系统调试与试飞 31
5.1 电源测试 31
5.2 参数整定 31
5.3 整机调试与试飞 32
5.4 本章小结 32
结论 33
致谢 34
参考文献 35
附录 系统软件程序代码 37
1 绪论
本论文 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
所讨论的无人机限定为四旋翼。作为无人机系统最为重要的一个分系统，飞行控制系统的性能对整个系统的性能具有决定性作用，因此它的设计也是最为关键的。
1.1 课题的研究背景与意义
无人机是一种无人驾驶的航空器，它体积小、成本少、可装载制导系统、雷达系统与摄像机等设备，用途广泛，不会造成人员伤亡[1]。无人机按照飞行机理分为固定翼和旋翼类无人机。
固定翼无人机在控制技术上日趋成熟，研究重点从单一机体转向多任务协调。各国军方逐渐对无人机在战争的重要地位引起重视，美国海军就在海湾战争、伊拉克战争中大量使用“捕食者”和“全球鹰”无人侦察机进行侦察、监视、目标获取及打击等，充分释放了无人机的军事战略光芒[2]。
旋翼类无人机由于具有良好的环境适应能力、复杂地形自主起飞和着陆能力、出色的悬停等优势，成为当前热门的研究课题。国际空中机器人竞赛（Intermational Aerial RobotCompetition，IARC），由国际无人机运输系统协会组织，吸引了全球的爱好者。
在航空工业、微电子技术、推进系统、新能源和新材料等领域，微小型无人机变得举足轻重。由于它微小型的尺寸和各类起降等条件，被致力于在战争中突破雷达封锁、电子侦察等[3]。无人机的反恐安防、森林火警、航拍巡视等被广泛用于各个领域，使传统任务设备的信息获取通道被延伸，任务盲点被更快捷、高效、直接地扫除[4]。
无人机飞行控制系统主要包括环境数据采集、飞行控制器、执行机构、数据通信等方面[4]，飞行控制器的内部有许多环境和姿态传感器，实时获取无人机的飞行状态，通过飞行控制算法的引导下，控制各执行机构，在没有操纵的情况下自主飞行以及完成复杂任务，还利用机载数据传输设备以此与地面站数据交流[4]。飞行控制系统的研发涉及传感技术、信号处理、自动控制等众多方面，可以说是走在技术上的前沿。
1.2 国内外飞行控制系统研究现状
固定翼无人机在控制技术方面起步早，其研究不仅仅满足于无人机本身的结构、动力等问题，更致力于解决飞行过程中的长久性和气候恶劣等问题，从而提高无人机的生存与作战效果[14]。传统旋翼无人机却一直未得到广泛应用，因为其机械结构繁杂、通道严重耦合、控制算法受限[5]。
在固定翼飞控研究领域，国外已有商业化一体方案，从主要的飞行控制器硬件、软件与配件，到地面控制站、第一人称飞行设备等应有尽有。具有代表性的例如：美国云帽公司picclo系列与Crossbow公司的MNAV+Stargate的自动驾驶仪。分别如图1.1、1.2所示。
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图1.1 Piccolo系列 图1.2 MNAV + Stargate自动驾驶仪
在国内多旋翼无人机中，在商用航拍领域取得了较大的市场份额的是大疆创新。它主要面向商用及工业用途，传感器元件集成精度高，涉及温度补偿算法和工业化的精准校准[6]，性能稳定、高效、可靠。图1.3是大疆无人机的A2飞行控制器。图1.4是深圳一电科技的AEE飞控集成模块。
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图1.3 A2飞行控制器 图1.4 AEE飞控集成模块
1.3 课题主要研究内容及关键技术
本文是四旋翼的飞行控制系统，用控制算法进行控制器改良，期望提高其性能。打算选用型号的单片机，设计传感器接口电路、外围存储扩展电路、通信接口电路来构成飞行控制器；在实验室现有条件下，进行硬件测试并进一步完善电路。
本系统需要解决的关键技术包括：
（1）根据现有文献中四旋翼无人机的运动模型，研究PID控制算法并用Matlab进行仿真，满足动态响应快、稳定性好等特点。
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