单片机的微型无人机设计硬件部分
无人机的研究一直都是许多国家和机构关心的重点领域之一。西方的发达国家很早就开始了无人机的研究。我国虽然起步较晚，但也很重视，不断的注入资金和人力以求迅速达到领先的无人机研究水平。目前看来，已经取得了巨大的成效。四旋翼是当下无人机领域的热门方向，我们这次制作的无人机就是这一种，限于能力和条件，我们做的体型很小，只包含了无人机几个基础的组成部分，论文中会介绍无人机的飞控原理和硬件原理图等。硬件主要完成中间飞控板的设计，包含单片机，传感器，电机驱动，和电源电路设计等工作，最终希望能与软件部分配合，使得制作的无人机能正常起飞，并可以通过遥控器操控完成相关的几个简单的飞行动作。关键词 无人机，飞行控制，电路设计
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的背景及意义 2
1.2 国外无人机发展状况 2
1.3 我国无人机的发展现状 3
1.4 课题需解决的的问题 4
2 无人机组成部分及控制系统原理 4
2.1 无人机系统组成 4
2.2 无人机飞行控制系统原理 9
2.3 硬件总体方案设计 13
3. 系统硬件电路设计 14
3.1 Altium Designer 简介 14
3.2 飞行器总体电路设计 15
3.3 各部分电路设计 16
3.4 PCB设计 24
4 无人机软件部分 25
4.1 PID算法 25
4.2 互补滤波算法 27
5 飞行控制系统调试与试飞 27
结论 29
致谢 30
参考文献 31
1 绪论
自古以来人类都对于飞行于空充满了向往。我们憧憬着天空，羡慕长着翅膀的鸟儿自古以来人类都对于飞行于空充满了向往。我们憧憬着天空，羡慕长着翅膀的鸟儿，我们对于飞行有着各种随心所欲的畅想。无论东方还是西方，我们神话传说中的神明形态不同，能力各异，却有一个共通之处，他们基本上都是会飞的。无论是西方的天使较之于东方的仙人还是西方童话中的魔法师、女巫之流较之东方玄异小说中的练气士等存在他们有的借助翅膀，有 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
的骑着扫把，有的御剑而行有的干脆直接脚踏虚空，这些在现代科学的理解中严重违反物理学规则的胡思，无一不包含了人类对于飞翔的向往。我们借助于神话和幻想将自己的迷思寄托其中，借助想象完成飞行之梦。
人类不同于其它动物的一点是，我们有着强烈的好奇心和想象力。且常为一些看似虚幻的想象而一直不停的努力去实现它。飞行是一个最典型的例子，古今中外，无数先贤为之痴迷而奋斗。在我国古代，人们向往天空，奈何自身飞行的难度太大，只好退而求其次，自己无法飞上天空，我们可以先让其他物件升空，完成飞行的一小步，于是我们有了风筝，有了孔明灯，有了古时的火箭，但人们不甘于此，希望借助这些外物能够使自己也飞上天。
古代有人用火箭把自己送上天，并手握风筝线，从而获得牵引力来控制飞行，可惜的是他操作中发生失误，最终飞行失败并付出了生命，但他的尝试给后世之人提供了宝贵的经验和激励。
图11 万户飞天和第一架飞机图
飞机出现在一百一十多年前，它使得人开始飞翔，随后人类对于飞行的研究愈发成熟，研制飞行器的技术日新月异，由飞行员驾驶到无人驾驶，固定翼到旋翼式。这些改变使得飞行器的性能越来越高，应用于的领域也越来越广，四旋翼作为其中的热门项目，被更多的人重视和投入发展。
1.1 课题的背景及意义
无人飞行器（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）是指一种不需要人来驾驶，自己就可以飞行，也可以用遥控器控制的飞行器。它利用空气动力乘载且是可以重复回收利用的[1~3]。
无人机一开始出现是为了压制地面的防空部队的火炮。它无须损耗人力就可以吸引、骚扰、消灭敌方的防空力量。无人机很多功能的优点都是战争体现出来的，这让人们不得不重视它，耗费财力和优秀的人才去发展它。因此，这些年它发展飞快，其中以美国、以色列、英国为最。
无人机不断发展，先进的无人机在军事上取得了很大的成就，它可以携带各种检测，监视仪器，能对区域进行强有效的监视和检查。甚至，在配备了攻击型武器后，无人机可以深入敌方，隐蔽而准确的进行打击工作。这种高效的成果使得各国更加热衷于此项研究，大力发展无人机事业。无人机更多的应用也被开发出来。
我们这次做的是一个小型的无人机，是四旋翼。至于为什么不选择制作另一种固定翼的是因为，这一种无人机结构简单，制作比较容易，控制起来也轻松地多，又没有活动的零件，比较可靠。做起来简单，易于维护，便宜，小型化容易。四个角对称，静态盘旋稳定，灵活性更强。
这些优点使得四旋翼可以应用于更多场合，如航拍，电线维修，火灾解救，快递投放，交通监视，反恐等军事、民用领域[4~6]。近年来，各国对于无人机的民用化越来越重视，这给无人机市场带来了广阔的发展前景，对于普通群众，也由于无人机的平民化，获得了更多更新奇的体验，获得了更多的便利。各种功能的使用灵感被激发。在我们周围许多人用无人机来进行航拍，不仅便利，且可以从很多不同的角度取景，让人们可以从更多角度获得美感。时下经常听闻有人用无人机运送戒指鲜花来求婚，浪漫的形式更多样化。无人机代替人进行电线的检查和维护更大大的解放了人力保证了从业人员的安全。
1.2 国外无人机发展状况
国外关于无人机的研究开始较早，第一次世界大战末，动力飞行起步了。第一架飞机出现于1903年。19世纪初，自动陀螺稳定器的出现让无人机飞行的稳定性问题解决，依靠这一发明，美国做出了第一架没有人的飞行器。它还有投递炸弹的功能，尽管没投递过。那之后，无人机发展的越来越快。上世纪50年代起，旋翼飞行器开始登上舞台,各种概念的旋翼无人飞行器开始涌现,其中，形如飞碟的飞行器最具吸引力,如美国的“Cipher”、加拿大的CL327“哨兵”等[6]。其他一些著名的大学、机构也提出了许多新颖的研究方向。这一类的飞行器难点不在于飞行原理和制造，而在于如何感应到无人机的状况和如何命令电机做出正确的调速，在更加高级，精度更高的传感器和有效的控制技术出现后，这一研究才有可能发展，幸运的是，这些条件都出现了。当然，具备了这些条件的西方国家发展最快，而出于实际应用，大家都希望无人机能做的小一点，这样不仅隐蔽而且可以让它去一些狭窄的地方工作，可以解决很多空间很小一般人和机器都无法检测的区域的调查问题。变小是无人机这个时期的必然之路。以Pennsylvania 等机构为代表，许多西方的公司、机构都早早打算，准备抓住这一市场。Dragonfly也是其中的比较有名的一家,尽力开发相关的产品。零六年前后向市场推出了很多新产品，有了许多客户的信赖，知名度提高，基本上说到无人机的产品，都会想到这几家。当然，一分钱一分货，市场上各种价位的产品有很多，质量最好的Micro drones 也最贵,起价就是40万，一般人消费不起，设计方面不够合理，动力不够就也不能载特别重的物品,只能携带一些特别轻巧的相机来进行一些简单的拍摄工作，无法拓展更多功能。因此，虽然它占据市场占据的早,但后续的产品质量与性能不够好，客户不买账。为了抓住普通民众的市场,使无人机的产品平民化，有一些公司不出售成品，将机器拆开卖,让买的人自己动手组装，并提供相应的图和程序。这样的做法让买的人承担的了，也更有体验感和趣味性。近期许多国家开始注重无人机的生活化应用，东京电玩展在2010年展示了一款由iPhone控制的微型无人机。无人机在生活中的应用越来越多。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的背景及意义 2
1.2 国外无人机发展状况 2
1.3 我国无人机的发展现状 3
1.4 课题需解决的的问题 4
2 无人机组成部分及控制系统原理 4
2.1 无人机系统组成 4
2.2 无人机飞行控制系统原理 9
2.3 硬件总体方案设计 13
3. 系统硬件电路设计 14
3.1 Altium Designer 简介 14
3.2 飞行器总体电路设计 15
3.3 各部分电路设计 16
3.4 PCB设计 24
4 无人机软件部分 25
4.1 PID算法 25
4.2 互补滤波算法 27
5 飞行控制系统调试与试飞 27
结论 29
致谢 30
参考文献 31
1 绪论
自古以来人类都对于飞行于空充满了向往。我们憧憬着天空，羡慕长着翅膀的鸟儿自古以来人类都对于飞行于空充满了向往。我们憧憬着天空，羡慕长着翅膀的鸟儿，我们对于飞行有着各种随心所欲的畅想。无论东方还是西方，我们神话传说中的神明形态不同，能力各异，却有一个共通之处，他们基本上都是会飞的。无论是西方的天使较之于东方的仙人还是西方童话中的魔法师、女巫之流较之东方玄异小说中的练气士等存在他们有的借助翅膀，有 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
的骑着扫把，有的御剑而行有的干脆直接脚踏虚空，这些在现代科学的理解中严重违反物理学规则的胡思，无一不包含了人类对于飞翔的向往。我们借助于神话和幻想将自己的迷思寄托其中，借助想象完成飞行之梦。
人类不同于其它动物的一点是，我们有着强烈的好奇心和想象力。且常为一些看似虚幻的想象而一直不停的努力去实现它。飞行是一个最典型的例子，古今中外，无数先贤为之痴迷而奋斗。在我国古代，人们向往天空，奈何自身飞行的难度太大，只好退而求其次，自己无法飞上天空，我们可以先让其他物件升空，完成飞行的一小步，于是我们有了风筝，有了孔明灯，有了古时的火箭，但人们不甘于此，希望借助这些外物能够使自己也飞上天。
古代有人用火箭把自己送上天，并手握风筝线，从而获得牵引力来控制飞行，可惜的是他操作中发生失误，最终飞行失败并付出了生命，但他的尝试给后世之人提供了宝贵的经验和激励。
图11 万户飞天和第一架飞机图
飞机出现在一百一十多年前，它使得人开始飞翔，随后人类对于飞行的研究愈发成熟，研制飞行器的技术日新月异，由飞行员驾驶到无人驾驶，固定翼到旋翼式。这些改变使得飞行器的性能越来越高，应用于的领域也越来越广，四旋翼作为其中的热门项目，被更多的人重视和投入发展。
1.1 课题的背景及意义
无人飞行器（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）是指一种不需要人来驾驶，自己就可以飞行，也可以用遥控器控制的飞行器。它利用空气动力乘载且是可以重复回收利用的[1~3]。
无人机一开始出现是为了压制地面的防空部队的火炮。它无须损耗人力就可以吸引、骚扰、消灭敌方的防空力量。无人机很多功能的优点都是战争体现出来的，这让人们不得不重视它，耗费财力和优秀的人才去发展它。因此，这些年它发展飞快，其中以美国、以色列、英国为最。
无人机不断发展，先进的无人机在军事上取得了很大的成就，它可以携带各种检测，监视仪器，能对区域进行强有效的监视和检查。甚至，在配备了攻击型武器后，无人机可以深入敌方，隐蔽而准确的进行打击工作。这种高效的成果使得各国更加热衷于此项研究，大力发展无人机事业。无人机更多的应用也被开发出来。
我们这次做的是一个小型的无人机，是四旋翼。至于为什么不选择制作另一种固定翼的是因为，这一种无人机结构简单，制作比较容易，控制起来也轻松地多，又没有活动的零件，比较可靠。做起来简单，易于维护，便宜，小型化容易。四个角对称，静态盘旋稳定，灵活性更强。
这些优点使得四旋翼可以应用于更多场合，如航拍，电线维修，火灾解救，快递投放，交通监视，反恐等军事、民用领域[4~6]。近年来，各国对于无人机的民用化越来越重视，这给无人机市场带来了广阔的发展前景，对于普通群众，也由于无人机的平民化，获得了更多更新奇的体验，获得了更多的便利。各种功能的使用灵感被激发。在我们周围许多人用无人机来进行航拍，不仅便利，且可以从很多不同的角度取景，让人们可以从更多角度获得美感。时下经常听闻有人用无人机运送戒指鲜花来求婚，浪漫的形式更多样化。无人机代替人进行电线的检查和维护更大大的解放了人力保证了从业人员的安全。
1.2 国外无人机发展状况
国外关于无人机的研究开始较早，第一次世界大战末，动力飞行起步了。第一架飞机出现于1903年。19世纪初，自动陀螺稳定器的出现让无人机飞行的稳定性问题解决，依靠这一发明，美国做出了第一架没有人的飞行器。它还有投递炸弹的功能，尽管没投递过。那之后，无人机发展的越来越快。上世纪50年代起，旋翼飞行器开始登上舞台,各种概念的旋翼无人飞行器开始涌现,其中，形如飞碟的飞行器最具吸引力,如美国的“Cipher”、加拿大的CL327“哨兵”等[6]。其他一些著名的大学、机构也提出了许多新颖的研究方向。这一类的飞行器难点不在于飞行原理和制造，而在于如何感应到无人机的状况和如何命令电机做出正确的调速，在更加高级，精度更高的传感器和有效的控制技术出现后，这一研究才有可能发展，幸运的是，这些条件都出现了。当然，具备了这些条件的西方国家发展最快，而出于实际应用，大家都希望无人机能做的小一点，这样不仅隐蔽而且可以让它去一些狭窄的地方工作，可以解决很多空间很小一般人和机器都无法检测的区域的调查问题。变小是无人机这个时期的必然之路。以Pennsylvania 等机构为代表，许多西方的公司、机构都早早打算，准备抓住这一市场。Dragonfly也是其中的比较有名的一家,尽力开发相关的产品。零六年前后向市场推出了很多新产品，有了许多客户的信赖，知名度提高，基本上说到无人机的产品，都会想到这几家。当然，一分钱一分货，市场上各种价位的产品有很多，质量最好的Micro drones 也最贵,起价就是40万，一般人消费不起，设计方面不够合理，动力不够就也不能载特别重的物品,只能携带一些特别轻巧的相机来进行一些简单的拍摄工作，无法拓展更多功能。因此，虽然它占据市场占据的早,但后续的产品质量与性能不够好，客户不买账。为了抓住普通民众的市场,使无人机的产品平民化，有一些公司不出售成品，将机器拆开卖,让买的人自己动手组装，并提供相应的图和程序。这样的做法让买的人承担的了，也更有体验感和趣味性。近期许多国家开始注重无人机的生活化应用，东京电玩展在2010年展示了一款由iPhone控制的微型无人机。无人机在生活中的应用越来越多。
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