四轴飞行器控制系统设计【字数：15500】
摘 要四轴飞行器具有VTOL（垂直起飞和着陆）飞行器的所有优点且有在低空中和狭窄空间内飞行和执行任务的能力，因此，四轴飞行器拥有着很大的潜力。四轴飞行器可以在短距离内执行特殊任务，获得有效的信息。在军用方面，可支持现代电子战，并且可以使用现代战争模型，如通信中继等。在民用方面，可用于灾后搜救，城市交通巡逻以及在大型化学工业场所，高压输电线路，水坝和桥梁这种人工安全巡逻可能存在一些问题的场所。正因为如此广泛的应用，四轴飞行器吸引了许多研究人员的关注，并且成为了世界各地的研究热点。本次设计的飞行器系统主要是为了完成前、后、左、右、上、下、左旋转和右旋转等基本功能，再此基础上，增加摄像头模块来采集图像，通过WIFI传输显示在手机屏幕中。所以，此次设计涉及了硬件原理图的制作、飞行器硬件的选用、姿态的检测及其解算、PID的控制以及信号的传输等方面。
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 四轴飞行器发展情况 1
1.3 研究内容 2
1.3.1 硬件部分 2
1.3.2 软件部分 2
1.4论文框架结构图 3
1.5 小结 3
第二章 方案设计 4
2.1总体方案设计 4
2.2飞行器的模式选用 5
2.3程序流程介绍 5
2.4小结 5
第三章 系统硬件部分设计 6
3.1四轴飞行器主体部分 6
3.1.1 飞控主体框架 6
3.1.2 电机及螺旋桨的选用 7
3.1.3电机驱动的设计 7
3.1.4电池的选用 8
3.1.5 传感器接口的设计 8
3.1.6无线通信接口的设计 10
3.1.7 摄像头模块的选用 11
3.1.8飞控MCU接口的设计 11
3.2四轴飞行器遥控部分 12
3.2.1 遥控系统框架 12
3.2.2遥控器的设计 13
3.2.3 OLED接口的设计 13
3.2.4 通信模块接口的设计 14
3.2.5 摇杆 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
接口的设计 15
3.2.6 LED 和蜂鸣器接口的设计 16
3.2.7 电源及USB接口的设计 16
3.2.8 下载接口的设计 17
3.2.9 遥控MCU接口的设计 18
3.3小结 18
第四章 系统软件部分设计 19
4.1 姿态检测及解算 19
4.1.1姿态角 19
4.1.2 欧拉角 19
4.1.3四元数 19
4.1.4姿态的解算 20
4.2 PID控制 20
4.2.1四轴飞行器运动控制的基本原理 20
4.2.2 PID控制理论 21
4.2.3 角度环PID及角速度环PID 22
4.3 小结 24
第五章 四轴飞行器的调试 25
5.1修改程序代码 25
5.2搭建测试平台 25
5.3连接上位机调试 26
5.4内环俯仰角和翻滚角的P的调试 27
5.5内环俯仰角和翻滚角的D的调试 27
5.6外环俯仰角和翻滚角的P的调试 27
5.7内环偏航角的PID的调试 28
5.8外环偏航角的PID的调试 28
5.9调试结果 29
5.10 小结 29
第六章 论文总结 30
参考文献 31
致谢 33
附录1飞行器原理图； 34
附件2遥控器原理图； 36
附录3 部分控制程序； 37
绪论
1.1 课题研究背景及意义
四轴飞行器最初是一种新型飞行器，具有四个对称机翼，能够垂直起飞和着陆，易于操纵，并具有运动灵活性高等优点。随着传感器，单片机，电机和电池技术的发展和普及，四轴飞机正在成为航空模型世界的新动力。在实际应用中，由四轴飞行器为代表的小型无人机在执行军事任务方面具有很大的优势。在士兵的控制下，可以短距离的对战场，狭窄区域和复杂地形环境进行侦查，同时装上弹药，也可以直接执行战略攻击任务。不仅用于军事用途，四轴飞行器还用于安全巡查，工程，农业和林业，电力线，广告，模型玩具等领域。
在十九世纪，四轴飞行器就引起了海外研究机构的关注。四轴飞行器在机械结构和飞行原理上都很简单，但是对传感器和控制理论的要求都很高。通常的，它们是“欠驱动”的系统结构。 而且，由于强耦合，非线性，干扰和灵敏度等问题，使得其难以控制。但是随着现代的传感器技术以及单片机的运用，在当今时代，许许多多的多旋翼飞行器迎来了巨大的进展，渐渐地，在小型的无人机研究中，多旋翼的飞行器已经成为世界上主要的研究热点并成为主流。
近几年以来，无人机应用的范围逐渐从军事转向民用，制造成本低，四轴无人机的高飞行性能无疑将对这一转变会产生巨大的影响。各行各业的人们已经提高对无人机的期望，人们相信许多无人机的研究可以再进一步地突破，从而推出具有中国独特的高性能无人机。
1.2 四轴飞行器发展情况
在2003年，美国首次开展小型四轴飞行器的研究，将其小型智能的特点展现在四轴飞行器上，在此之后，四轴飞行器就逐渐地受到世界各地的关注。
四轴飞行器的原型在1939年就已经被设计出来了，只不过那时，惯性导航系统通常是十几公斤的铁块，这就增加了四轴飞行器的负荷。可是人们发现不管是用机油还是电机作为四轴飞行器的动力来源，都很难满足升力的要求。在此同时，直升机技术的成熟更加使得没人去过多的关注多旋翼飞行器的研究。因此，直到二十一世纪初，许多人惊讶地发现多旋翼飞行器已经变得越来越成熟和稳定，并且发现存在这样小的，稳定的和简单的结构存在着。
在此之后，世界上对于四轴飞行器的研究已经变得越来越成熟，人们已经使用它进行航拍、勘测等工作。但是相比较于其优点而言，不难发现，四轴飞行器的缺点也是致命的，载重能力弱，续航能力弱，这些缺点在当下是很难解决。从现在来看，解决的办法并不在飞行器上面，而是研究出更高容量、更小体积，更轻质量的的蓄电池，来提供所需的能源。而在前几年，各电商例如京东等在物流配送问题上就提出了偏远地区用无人机来配送的计划，以此来降低配送成本，从此可见，无人机在今后的发展中有着很广阔的前景。
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 四轴飞行器发展情况 1
1.3 研究内容 2
1.3.1 硬件部分 2
1.3.2 软件部分 2
1.4论文框架结构图 3
1.5 小结 3
第二章 方案设计 4
2.1总体方案设计 4
2.2飞行器的模式选用 5
2.3程序流程介绍 5
2.4小结 5
第三章 系统硬件部分设计 6
3.1四轴飞行器主体部分 6
3.1.1 飞控主体框架 6
3.1.2 电机及螺旋桨的选用 7
3.1.3电机驱动的设计 7
3.1.4电池的选用 8
3.1.5 传感器接口的设计 8
3.1.6无线通信接口的设计 10
3.1.7 摄像头模块的选用 11
3.1.8飞控MCU接口的设计 11
3.2四轴飞行器遥控部分 12
3.2.1 遥控系统框架 12
3.2.2遥控器的设计 13
3.2.3 OLED接口的设计 13
3.2.4 通信模块接口的设计 14
3.2.5 摇杆 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
接口的设计 15
3.2.6 LED 和蜂鸣器接口的设计 16
3.2.7 电源及USB接口的设计 16
3.2.8 下载接口的设计 17
3.2.9 遥控MCU接口的设计 18
3.3小结 18
第四章 系统软件部分设计 19
4.1 姿态检测及解算 19
4.1.1姿态角 19
4.1.2 欧拉角 19
4.1.3四元数 19
4.1.4姿态的解算 20
4.2 PID控制 20
4.2.1四轴飞行器运动控制的基本原理 20
4.2.2 PID控制理论 21
4.2.3 角度环PID及角速度环PID 22
4.3 小结 24
第五章 四轴飞行器的调试 25
5.1修改程序代码 25
5.2搭建测试平台 25
5.3连接上位机调试 26
5.4内环俯仰角和翻滚角的P的调试 27
5.5内环俯仰角和翻滚角的D的调试 27
5.6外环俯仰角和翻滚角的P的调试 27
5.7内环偏航角的PID的调试 28
5.8外环偏航角的PID的调试 28
5.9调试结果 29
5.10 小结 29
第六章 论文总结 30
参考文献 31
致谢 33
附录1飞行器原理图； 34
附件2遥控器原理图； 36
附录3 部分控制程序； 37
绪论
1.1 课题研究背景及意义
四轴飞行器最初是一种新型飞行器，具有四个对称机翼，能够垂直起飞和着陆，易于操纵，并具有运动灵活性高等优点。随着传感器，单片机，电机和电池技术的发展和普及，四轴飞机正在成为航空模型世界的新动力。在实际应用中，由四轴飞行器为代表的小型无人机在执行军事任务方面具有很大的优势。在士兵的控制下，可以短距离的对战场，狭窄区域和复杂地形环境进行侦查，同时装上弹药，也可以直接执行战略攻击任务。不仅用于军事用途，四轴飞行器还用于安全巡查，工程，农业和林业，电力线，广告，模型玩具等领域。
在十九世纪，四轴飞行器就引起了海外研究机构的关注。四轴飞行器在机械结构和飞行原理上都很简单，但是对传感器和控制理论的要求都很高。通常的，它们是“欠驱动”的系统结构。 而且，由于强耦合，非线性，干扰和灵敏度等问题，使得其难以控制。但是随着现代的传感器技术以及单片机的运用，在当今时代，许许多多的多旋翼飞行器迎来了巨大的进展，渐渐地，在小型的无人机研究中，多旋翼的飞行器已经成为世界上主要的研究热点并成为主流。
近几年以来，无人机应用的范围逐渐从军事转向民用，制造成本低，四轴无人机的高飞行性能无疑将对这一转变会产生巨大的影响。各行各业的人们已经提高对无人机的期望，人们相信许多无人机的研究可以再进一步地突破，从而推出具有中国独特的高性能无人机。
1.2 四轴飞行器发展情况
在2003年，美国首次开展小型四轴飞行器的研究，将其小型智能的特点展现在四轴飞行器上，在此之后，四轴飞行器就逐渐地受到世界各地的关注。
四轴飞行器的原型在1939年就已经被设计出来了，只不过那时，惯性导航系统通常是十几公斤的铁块，这就增加了四轴飞行器的负荷。可是人们发现不管是用机油还是电机作为四轴飞行器的动力来源，都很难满足升力的要求。在此同时，直升机技术的成熟更加使得没人去过多的关注多旋翼飞行器的研究。因此，直到二十一世纪初，许多人惊讶地发现多旋翼飞行器已经变得越来越成熟和稳定，并且发现存在这样小的，稳定的和简单的结构存在着。
在此之后，世界上对于四轴飞行器的研究已经变得越来越成熟，人们已经使用它进行航拍、勘测等工作。但是相比较于其优点而言，不难发现，四轴飞行器的缺点也是致命的，载重能力弱，续航能力弱，这些缺点在当下是很难解决。从现在来看，解决的办法并不在飞行器上面，而是研究出更高容量、更小体积，更轻质量的的蓄电池，来提供所需的能源。而在前几年，各电商例如京东等在物流配送问题上就提出了偏远地区用无人机来配送的计划，以此来降低配送成本，从此可见，无人机在今后的发展中有着很广阔的前景。
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