单片机控制四轴飞行器设计
摘 要四轴飞行器（Quadrotor）具备飞行器的一切优点，同时又具备无人机的成本低、机械稳定性好以及事故代价低的特点，具有广阔的未来应用前景。在军事上，可以执行地面战场侦察和监视，获取难以获得的情报，能够有效执行禁飞区巡逻和近距离空中支持之类的特殊任务。在民用方面，四轴飞行较多的应用于测绘影像采集、灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。工业上还可以在安全巡检、高压输电线、大型化工现场、水坝等人工不容易到达的领域进行安全检查。因此，四轴飞行器的研究具有重大的意义。本论文主要讨论四轴飞行器的设计实现、建模分析与硬件设计。首先从历史的角度介绍四轴飞行器的发展进步及研究成果，然后引入现代对于四轴飞行器的研究，以及运用现代电子控制理论进行的研究方法和所取得的成果。其次给出本次设计的四轴飞行器样机模型与电路设计。着重在机械结构与飞行器硬件电路设计方面论述四轴飞行器的样机设计。论文中详细分析了机械结构设计中的选择以及元器件的选型，实现一个切实可用的轴飞行器样机模型。首先稳定可用的飞行器模型是实现四轴飞行器的基础，之后分析四轴飞行器的飞行控制原理，在此基础上面进行动力学分析，建立四轴飞行器的动力学模型。本论文对四轴飞行器的姿态解算和姿态控制进行了详细的论述，分析选择出最优方法。最后通过软件设计实现飞行控制器方案控制四轴飞行器的室内飞行。
目 录
第一章 概述 1
1.1选题背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本论文主要研究内容 2
1.4本章小结 2
第二章 四轴飞行器的基本控制原理 4
2.1四轴飞行器的基本飞行原理 4
2.2四轴飞行器的姿态表示 9
2.3本章小结 13
第三章 四轴飞行器的样机模型与硬件设计 14
3.1四轴飞行器的系统框图和样机模型 14
3.2四轴飞行器的硬件设计 16
3.3本章小结 21
第四章 四轴飞行器的控制方案与软件设计 22
4.1四轴飞行器的姿态解算 22
4.2四轴飞行器的姿态控制 23
4.3四轴飞行器的软件设计 25
4.4本章小结 28
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
第五章 四轴飞行器的仿真 30
5.1四轴飞行器的质心运动和角运动模型 30
5.2四轴飞行器的仿真 33
5.3本章小结 38
结束语 39
致 谢 40
参考文献 41
附录A 43
第一章 概述
1.1选题背景及意义
四轴飞行器，又称四旋翼飞行器、四旋翼直升机，是无人飞行器的一种，也是一种智能机器人。四轴飞行器（Quadrotor）是一种多旋翼飞行器，四个螺旋桨都是电机直连的简单结构，因为四轴飞行器的这种特殊结构，所以不需要专门的反扭矩浆来维持平衡。同时，四轴飞行器采用电机和电池提供动力，这些都让四轴飞行器的结构相对与其它飞行器简单许多。因此四轴飞行器的发展更加小型多样化，四轴飞行器的应用范围也越来越广。
由于四轴飞行器有成本低、体积小、操作简单、飞行灵活等优点，在执行任务时有较强的防侦查能力，因此在军用、民用和工业领域都有较广泛的应用前景。在军用领域，小型无人机能够在士兵的操控下执行战场上小范围、近距离和复杂地形中的任务。除了执行侦查任务以外，还可以作为通信工具，甚至，飞行器在装上炸弹以后，可以直接飞向敌方目标执行战略操作。目前很多国家都在加紧军用机器人的制作，而飞行器就是其中一个发展趋势。在民用领域，四轴飞行器在灾难后搜救、城市交通、环境检测、航拍和测绘等领域都有较大的应用。除此以外，在工业领域人们也尝试在农药喷洒和快件递送等工作中应用它。
与传统的作业相比，四轴飞行器在更多的方面展现了它的优越性，在现代化工、电力和建筑等领域也经常会遇到一些较为危险且不适合人为操作的安全问题，因为地理环境特殊，工作环境危险，所以这类工作的巡检常常具有非常巨大的生命危险和不可避免的不准确性，然后四轴飞行器受地形影响小，可以在复杂的环境中自由的飞行，到一些人为到不了的地方，比如飞行器可以代替人在化工有毒或者高度危险的建筑中进行巡检，所以使用四轴飞行器将极大的降低人员伤亡，提高工作效率和准确率。
四轴飞行器的应用必将成为当今社会各领域发展的趋势，四轴飞行器的研究将给人们的生活带来巨大的便利，所以这项研究在当今社会具有非常明显的现实意义。
1.2国内外研究现状
关于四轴飞行器的研究其实在很早就已经开始了。早在1907年BréguetRichet就让世界上第一架四旋翼飞机“Gyroplane1”成功离开地面。虽然当时没有当今这些高端的传感器设备，也没能如人们想象的那样自由的飞行，但四轴飞行器的概念从此便建立了。由于对于当时的科技水平四轴飞行器的结构复杂，操作困难等原因，四轴飞行器的发展一直非常缓慢，所以尽管很早就研究出四轴飞行器的原型，同时也获得了一定的成果，但是并没有多少应用。随着现代控制理论和技术的发展，四轴飞行器技术有了很大的进步，并且广泛应用于各种领域。在欧美这些地区的一些发达国家，在小型，超小型无人机研究领域中，四轴飞行器已逐步取代直升机式无人机，从而成为旋翼无人机的主流方向。现在很多国家都有专业的四轴飞行器科研团队，其中 Microdrones的产品性能相对稳定。初期的Microdrone产品因为采用低转速的电机，抗风性能以及载重能力都有些欠缺，只能载重一个200g以下的数码相机，很难搭载其他的传感器模块来执行任务。经过一系列改进后，如今Microdrones已经有众多产品上市，Microdrones的MD41000已经成为了全球专业市场最畅销的经典四轴飞行器之一。对于国外四轴飞行器研究已经开展的如火如荼的现状，我国部分高校和研究院也开展了对四轴飞行器的相关研究工作，并且取得一定成果。国内在四轴飞行器研究领域比较有代表性的高校有哈尔滨工业大学，南京航空航天大学，北京航空航天大学等。此外，深圳市大疆创新科技有限公司是全球著名的民用四轴飞行器研发和生产商。大疆的四轴飞行器配备有高清摄像机用于航拍，飞行稳定、操作简单，深受各行各业以及业余爱好者的喜爱。汶川地震期间，大疆创新有限公司还曾用模型直升机协助评估灾情以及监察堰塞湖情况。
2010年四轴飞行器AR.Drone的成功也让世人注意到四轴飞行器，不过直到2013年大家对它的观点一直停留在玩具方面。2013年，随着DJI Phantom在1月的推出，四旋翼飞行器市场的形势发生了巨大的变化。“Phantom”在英语里有幻影、精灵的意思，它优雅的白色流线型外形也确实配得上精灵这个称呼。Phanto控制简便，新手学习多半个小时就可以自由飞行。Phantom尺寸比之前的四轴飞行器大的多，抗风性更好，还具有内置GPS导航功能，可以在户外很大的范围内飞行。更重要的是，当时利用GoPro运动相机拍摄极限运动已经成为欧美国家的时尚，而Phantom提供了挂载GoPro的连接架，让用GoPro相机的人们有了从天空向下的拍摄视角。特别地，与传统的飞机和直升机航拍不同，多旋翼系统小巧灵活，能让拍摄者自由地控制角度和距离。人们越来越了解四轴飞行器，更多的飞行器被被制造出来，更多的想法被创造出来，我相信在未来，四轴飞行器行业会逐渐壮大起来。我们今天产生的想法会逐渐实现，比如送快递、输电线路勘测、野生动物保护、安防监控之类的应用，甚至会成为我们日常生活中不可或缺的一部分。
1.3本论文主要研究内容
本论文主要的任务是设计出一套完整的四轴飞行器的样机，并建立简化模型，在模型的基础上设计飞行控制算法。基于单片机设计飞行控制器硬件，针对四轴飞行器的非线性和时变动力学特性建立简化模型，尝试不同的控制方法，最终使方案系统化，实现稳定的、受控飞行的四轴飞行器。
本文主要从如下几个方面对四轴飞行器的设计进行详细的研究：
目 录
第一章 概述 1
1.1选题背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本论文主要研究内容 2
1.4本章小结 2
第二章 四轴飞行器的基本控制原理 4
2.1四轴飞行器的基本飞行原理 4
2.2四轴飞行器的姿态表示 9
2.3本章小结 13
第三章 四轴飞行器的样机模型与硬件设计 14
3.1四轴飞行器的系统框图和样机模型 14
3.2四轴飞行器的硬件设计 16
3.3本章小结 21
第四章 四轴飞行器的控制方案与软件设计 22
4.1四轴飞行器的姿态解算 22
4.2四轴飞行器的姿态控制 23
4.3四轴飞行器的软件设计 25
4.4本章小结 28
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
第五章 四轴飞行器的仿真 30
5.1四轴飞行器的质心运动和角运动模型 30
5.2四轴飞行器的仿真 33
5.3本章小结 38
结束语 39
致 谢 40
参考文献 41
附录A 43
第一章 概述
1.1选题背景及意义
四轴飞行器，又称四旋翼飞行器、四旋翼直升机，是无人飞行器的一种，也是一种智能机器人。四轴飞行器（Quadrotor）是一种多旋翼飞行器，四个螺旋桨都是电机直连的简单结构，因为四轴飞行器的这种特殊结构，所以不需要专门的反扭矩浆来维持平衡。同时，四轴飞行器采用电机和电池提供动力，这些都让四轴飞行器的结构相对与其它飞行器简单许多。因此四轴飞行器的发展更加小型多样化，四轴飞行器的应用范围也越来越广。
由于四轴飞行器有成本低、体积小、操作简单、飞行灵活等优点，在执行任务时有较强的防侦查能力，因此在军用、民用和工业领域都有较广泛的应用前景。在军用领域，小型无人机能够在士兵的操控下执行战场上小范围、近距离和复杂地形中的任务。除了执行侦查任务以外，还可以作为通信工具，甚至，飞行器在装上炸弹以后，可以直接飞向敌方目标执行战略操作。目前很多国家都在加紧军用机器人的制作，而飞行器就是其中一个发展趋势。在民用领域，四轴飞行器在灾难后搜救、城市交通、环境检测、航拍和测绘等领域都有较大的应用。除此以外，在工业领域人们也尝试在农药喷洒和快件递送等工作中应用它。
与传统的作业相比，四轴飞行器在更多的方面展现了它的优越性，在现代化工、电力和建筑等领域也经常会遇到一些较为危险且不适合人为操作的安全问题，因为地理环境特殊，工作环境危险，所以这类工作的巡检常常具有非常巨大的生命危险和不可避免的不准确性，然后四轴飞行器受地形影响小，可以在复杂的环境中自由的飞行，到一些人为到不了的地方，比如飞行器可以代替人在化工有毒或者高度危险的建筑中进行巡检，所以使用四轴飞行器将极大的降低人员伤亡，提高工作效率和准确率。
四轴飞行器的应用必将成为当今社会各领域发展的趋势，四轴飞行器的研究将给人们的生活带来巨大的便利，所以这项研究在当今社会具有非常明显的现实意义。
1.2国内外研究现状
关于四轴飞行器的研究其实在很早就已经开始了。早在1907年BréguetRichet就让世界上第一架四旋翼飞机“Gyroplane1”成功离开地面。虽然当时没有当今这些高端的传感器设备，也没能如人们想象的那样自由的飞行，但四轴飞行器的概念从此便建立了。由于对于当时的科技水平四轴飞行器的结构复杂，操作困难等原因，四轴飞行器的发展一直非常缓慢，所以尽管很早就研究出四轴飞行器的原型，同时也获得了一定的成果，但是并没有多少应用。随着现代控制理论和技术的发展，四轴飞行器技术有了很大的进步，并且广泛应用于各种领域。在欧美这些地区的一些发达国家，在小型，超小型无人机研究领域中，四轴飞行器已逐步取代直升机式无人机，从而成为旋翼无人机的主流方向。现在很多国家都有专业的四轴飞行器科研团队，其中 Microdrones的产品性能相对稳定。初期的Microdrone产品因为采用低转速的电机，抗风性能以及载重能力都有些欠缺，只能载重一个200g以下的数码相机，很难搭载其他的传感器模块来执行任务。经过一系列改进后，如今Microdrones已经有众多产品上市，Microdrones的MD41000已经成为了全球专业市场最畅销的经典四轴飞行器之一。对于国外四轴飞行器研究已经开展的如火如荼的现状，我国部分高校和研究院也开展了对四轴飞行器的相关研究工作，并且取得一定成果。国内在四轴飞行器研究领域比较有代表性的高校有哈尔滨工业大学，南京航空航天大学，北京航空航天大学等。此外，深圳市大疆创新科技有限公司是全球著名的民用四轴飞行器研发和生产商。大疆的四轴飞行器配备有高清摄像机用于航拍，飞行稳定、操作简单，深受各行各业以及业余爱好者的喜爱。汶川地震期间，大疆创新有限公司还曾用模型直升机协助评估灾情以及监察堰塞湖情况。
2010年四轴飞行器AR.Drone的成功也让世人注意到四轴飞行器，不过直到2013年大家对它的观点一直停留在玩具方面。2013年，随着DJI Phantom在1月的推出，四旋翼飞行器市场的形势发生了巨大的变化。“Phantom”在英语里有幻影、精灵的意思，它优雅的白色流线型外形也确实配得上精灵这个称呼。Phanto控制简便，新手学习多半个小时就可以自由飞行。Phantom尺寸比之前的四轴飞行器大的多，抗风性更好，还具有内置GPS导航功能，可以在户外很大的范围内飞行。更重要的是，当时利用GoPro运动相机拍摄极限运动已经成为欧美国家的时尚，而Phantom提供了挂载GoPro的连接架，让用GoPro相机的人们有了从天空向下的拍摄视角。特别地，与传统的飞机和直升机航拍不同，多旋翼系统小巧灵活，能让拍摄者自由地控制角度和距离。人们越来越了解四轴飞行器，更多的飞行器被被制造出来，更多的想法被创造出来，我相信在未来，四轴飞行器行业会逐渐壮大起来。我们今天产生的想法会逐渐实现，比如送快递、输电线路勘测、野生动物保护、安防监控之类的应用，甚至会成为我们日常生活中不可或缺的一部分。
1.3本论文主要研究内容
本论文主要的任务是设计出一套完整的四轴飞行器的样机，并建立简化模型，在模型的基础上设计飞行控制算法。基于单片机设计飞行控制器硬件，针对四轴飞行器的非线性和时变动力学特性建立简化模型，尝试不同的控制方法，最终使方案系统化，实现稳定的、受控飞行的四轴飞行器。
本文主要从如下几个方面对四轴飞行器的设计进行详细的研究：
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