arduino的遥控四轴飞行器设计【字数：14684】
摘 要四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器，具有成本低、重量轻、飞行稳定性好的优点，适用于近地监视、搬运、航拍等。传统灭火方式受地形影响大，影响消防员到达现场的速度或造成消防员撤离现场困难。而基于四轴飞行器的消防无人机不但完全克服了传统灭火的缺点，并具有救援速度快和低成本等优点。因而本设计的研究目标是设计一款投放灭火球的消防无人机。本论文主要研究的是基于Arduino单片机的Mini型低成本四轴飞行器。飞行器通过蓝牙BC-04通信收到手机APP的遥控信号时，姿态传感器MPU6050会采集三轴加速度和角速度数据，并通过I2C协议传输到微处理器Atmega328p，再经过四元次数运算和互补滤波融合姿态角得到准确飞行的姿态，最后通过PID算法得到的PWM波控制电机的转速，完成飞行器的飞行控制。在室内无风环境中测试了四轴飞行器的飞行状况，结果表明本设计所研发的无人机能够较好的达到平稳飞行状态并实现各类飞行姿态，在指定地点投放灭火球。
目 录
1 绪论 1
1.1 四轴飞行器研究的背景和意义 1
1.2 无人机研究现状 2
1.3 本课题研究主要内容 4
1.4 本章小结 4
2 系统总体方案 5
2.1 需求分析 5
2.2 方案论证 5
2.2.1 开发板的选择 5
2.2.2 机架的选择 6
2.2.3 姿态传感器的选择 8
2.3 总体设计方案 8
2.4 本章小结 9
3 四轴飞行器飞行原理 10
3.1 飞行方式 10
3.2 飞行姿态 10
3.3 飞行姿态检测原理 13
3.4 多传感器数据融合滤波算法原理 15
3.5 PID算法设计原理 16
3.5.1 PID算法 17
3.5.2 PID飞行控制原理 17
3.6 本章小结 17
4 系统硬件设计 18
4.1 硬件总体设计方案 18
4.2 单片机最小系统 18
4.3 电机驱动电路 19
4.4 姿态传感 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
器电路 20
4.5 电源电路 21
4.6 通信模块电路 22
4.7 本章小结 22
5 系统软件设计 23
5.1 软件总体设计 23
5.2初始化程序设计 24
5.3蓝牙模块程序及安卓的APP软件设计 24
5.3.1蓝牙模块设计 24
5.3.2安卓的APP软件设计 25
5.4 电机驱动程序设计 26
5.5 飞行器姿态检测软件设计 27
5.5.1姿态传感器的I2C通信 27
5.5.2姿态检测模块 29
5.5.3互补滤波算法 31
5.6 运动控制模块设计 31
5.7 本章小结 33
6 系统调试 34
6.1 PID参数调试 34
6.2 驱动电路调试 35
6.3 传感器参数调试 36
6.4 飞行器测试结果 37
6.5 本章小结 39
7 总结与展望 40
7.1 总结 40
7.2 展望 40
参考文献 42
附录 44
附录一 元件清单 44
附录二 系统硬件原理图 45
附录三 程序 46
致谢 65
1 绪论
1.1 四轴飞行器研究的背景和意义
四轴飞行器是一种多旋翼飞行器，也属于智能机器人的一种。四轴飞行器的4个螺旋桨都是电机直连的简单构造，十字形的布局允许飞行器通过改变电机转速控制机桨的升力变化来获得旋转机身，从而调整自身姿态。与直升机相比，四轴飞行器结构简单，维修和更换的开销小[1]。四轴飞行器如今不仅在民营和商业得到广泛使用，甚至已经应用在了军事上。
四轴飞行器按照其机型大小可以分为大型和小型。大型四轴飞行器可作为航拍无人机，搭载大型高精度摄像机拍摄风景或活动摄像。而小型四轴飞行器灵活性较高，可以通过一些狭小缝隙，多应用于探测[2]。
在1903年，美国的莱特兄弟就已经发明了史上第一台载人飞行器，四轴飞行器的研究与探索也始于这个年代。但由于当时科技理论的限制，四轴飞行器的发展并没有太多人关注。最早的四轴飞行器是由Breguet兄弟在1907年开发设计的，而首架军用四轴飞行器是1921年制造的De Bothezat飞行器，但其易受风力影响，反应迟钝等缺点被美国军方舍弃[3]。相较于传统飞行器，基本不具备任何优势[3]。但随着科技的变迁，微机电系统(MEMS)的迅速发展，使四轴飞行器有了向无人机发展的趋势[4]。Breguet兄弟制造载人四轴飞行器如图11所示：/
图11 Breguet兄弟制造载人四轴飞行器
受益于时代的不断进步和科技的迅猛发展，四轴飞行器功能日益强大，应用面也在蓬勃扩大。在商业中，美国最大的一家电子商务公司亚马逊已经申请了一项专利，计划在空中建立一巨型仓库飞船并利用四轴飞行器来派送快递。或许在不久的将来，在广袤无垠的空中，一架架四轴飞行器从空中仓库取走包裹，然后精准地送到指定地点，运输快递行业将因此发生重大改革。在民营行业中，四轴飞行器可以应用于安全保障行业，配备了高清摄像头的四轴飞行器可以作为电子警察追踪正在逃窜的罪犯，而装备了灭火器的无人机可以飞行到消防员无法到达火灾深处进行灭火。飞行器也可以应用于高危作业行业，现在高楼大厦的玻璃清洁工总有坠亡惨案发生，但设计好程序的四轴飞行器完全可以替代清洁工进行高危工作[5]。在未来，四轴飞行器的应用范围将十分宽广。
1.2 无人机研究现状
近年来，国内外研究者从不同的应用前景来关注四轴飞行器。目前，在民营行业中遥控航模飞行器是最常见的应用。遥控航模无人机的经典代表为美国公司研制的Draganflyer的X6型号。如图12所示其搭载3组正反电机，共6只螺旋桨，每组桨按不同方向旋转，被称为六桨共轴结构。相较于传统四轴，其具有高灵活性及更好的飞行稳定性，并可以实现悬停。
图12 Draganflyer的X6型号多轴飞行器
在国内，最知名的遥控航模无人机企业是深圳市大疆创新科技有限公司。最早DJI的研究专注点在直升机自动控制器上。在2010年，国外四轴的成功让DJI看到了四旋翼飞行器产品的发展前景。随后DJI相继推出了风火轮四轴系列、悟空四轴系列和S800六旋翼系列等飞行器。其中知名度最高的是DJI?Phantom。Phantom飞行器控制简便、抗风性好，还具有内置GPS导航功能，可以在户外大范围内飞行。其搭载的GoPro运动相机能让拍摄者自由地调整拍摄角度和距离。DJI?Phantom无人机如图13所示：
目 录
1 绪论 1
1.1 四轴飞行器研究的背景和意义 1
1.2 无人机研究现状 2
1.3 本课题研究主要内容 4
1.4 本章小结 4
2 系统总体方案 5
2.1 需求分析 5
2.2 方案论证 5
2.2.1 开发板的选择 5
2.2.2 机架的选择 6
2.2.3 姿态传感器的选择 8
2.3 总体设计方案 8
2.4 本章小结 9
3 四轴飞行器飞行原理 10
3.1 飞行方式 10
3.2 飞行姿态 10
3.3 飞行姿态检测原理 13
3.4 多传感器数据融合滤波算法原理 15
3.5 PID算法设计原理 16
3.5.1 PID算法 17
3.5.2 PID飞行控制原理 17
3.6 本章小结 17
4 系统硬件设计 18
4.1 硬件总体设计方案 18
4.2 单片机最小系统 18
4.3 电机驱动电路 19
4.4 姿态传感 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
器电路 20
4.5 电源电路 21
4.6 通信模块电路 22
4.7 本章小结 22
5 系统软件设计 23
5.1 软件总体设计 23
5.2初始化程序设计 24
5.3蓝牙模块程序及安卓的APP软件设计 24
5.3.1蓝牙模块设计 24
5.3.2安卓的APP软件设计 25
5.4 电机驱动程序设计 26
5.5 飞行器姿态检测软件设计 27
5.5.1姿态传感器的I2C通信 27
5.5.2姿态检测模块 29
5.5.3互补滤波算法 31
5.6 运动控制模块设计 31
5.7 本章小结 33
6 系统调试 34
6.1 PID参数调试 34
6.2 驱动电路调试 35
6.3 传感器参数调试 36
6.4 飞行器测试结果 37
6.5 本章小结 39
7 总结与展望 40
7.1 总结 40
7.2 展望 40
参考文献 42
附录 44
附录一 元件清单 44
附录二 系统硬件原理图 45
附录三 程序 46
致谢 65
1 绪论
1.1 四轴飞行器研究的背景和意义
四轴飞行器是一种多旋翼飞行器，也属于智能机器人的一种。四轴飞行器的4个螺旋桨都是电机直连的简单构造，十字形的布局允许飞行器通过改变电机转速控制机桨的升力变化来获得旋转机身，从而调整自身姿态。与直升机相比，四轴飞行器结构简单，维修和更换的开销小[1]。四轴飞行器如今不仅在民营和商业得到广泛使用，甚至已经应用在了军事上。
四轴飞行器按照其机型大小可以分为大型和小型。大型四轴飞行器可作为航拍无人机，搭载大型高精度摄像机拍摄风景或活动摄像。而小型四轴飞行器灵活性较高，可以通过一些狭小缝隙，多应用于探测[2]。
在1903年，美国的莱特兄弟就已经发明了史上第一台载人飞行器，四轴飞行器的研究与探索也始于这个年代。但由于当时科技理论的限制，四轴飞行器的发展并没有太多人关注。最早的四轴飞行器是由Breguet兄弟在1907年开发设计的，而首架军用四轴飞行器是1921年制造的De Bothezat飞行器，但其易受风力影响，反应迟钝等缺点被美国军方舍弃[3]。相较于传统飞行器，基本不具备任何优势[3]。但随着科技的变迁，微机电系统(MEMS)的迅速发展，使四轴飞行器有了向无人机发展的趋势[4]。Breguet兄弟制造载人四轴飞行器如图11所示：/
图11 Breguet兄弟制造载人四轴飞行器
受益于时代的不断进步和科技的迅猛发展，四轴飞行器功能日益强大，应用面也在蓬勃扩大。在商业中，美国最大的一家电子商务公司亚马逊已经申请了一项专利，计划在空中建立一巨型仓库飞船并利用四轴飞行器来派送快递。或许在不久的将来，在广袤无垠的空中，一架架四轴飞行器从空中仓库取走包裹，然后精准地送到指定地点，运输快递行业将因此发生重大改革。在民营行业中，四轴飞行器可以应用于安全保障行业，配备了高清摄像头的四轴飞行器可以作为电子警察追踪正在逃窜的罪犯，而装备了灭火器的无人机可以飞行到消防员无法到达火灾深处进行灭火。飞行器也可以应用于高危作业行业，现在高楼大厦的玻璃清洁工总有坠亡惨案发生，但设计好程序的四轴飞行器完全可以替代清洁工进行高危工作[5]。在未来，四轴飞行器的应用范围将十分宽广。
1.2 无人机研究现状
近年来，国内外研究者从不同的应用前景来关注四轴飞行器。目前，在民营行业中遥控航模飞行器是最常见的应用。遥控航模无人机的经典代表为美国公司研制的Draganflyer的X6型号。如图12所示其搭载3组正反电机，共6只螺旋桨，每组桨按不同方向旋转，被称为六桨共轴结构。相较于传统四轴，其具有高灵活性及更好的飞行稳定性，并可以实现悬停。
图12 Draganflyer的X6型号多轴飞行器
在国内，最知名的遥控航模无人机企业是深圳市大疆创新科技有限公司。最早DJI的研究专注点在直升机自动控制器上。在2010年，国外四轴的成功让DJI看到了四旋翼飞行器产品的发展前景。随后DJI相继推出了风火轮四轴系列、悟空四轴系列和S800六旋翼系列等飞行器。其中知名度最高的是DJI?Phantom。Phantom飞行器控制简便、抗风性好，还具有内置GPS导航功能，可以在户外大范围内飞行。其搭载的GoPro运动相机能让拍摄者自由地调整拍摄角度和距离。DJI?Phantom无人机如图13所示：
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