四旋翼无人机毕业设计.doc
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1、渤海大学本科毕业论文(设计)四旋翼无人机设计与制作The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned Aerial Vehicle学 院(系): 专 业: 学 号: 学 生 姓 名: 入 学 年 度: 指 导 教 师: 完 成 日 期: 四旋翼无人机设计与制作摘 要四旋翼无人机飞行器因为它的结构简单,而且控制起来也很方便,因此它成为了近几年来发展起来的热门产业。在这里本文详细的介绍了四旋翼飞行器的设计和制作的过程,其中包括了四旋翼无人机飞行器的飞行原理,硬件的介绍和选型,姿态参考算法的推导和实现,系统软件的具体实现。该四旋翼飞行器控制系统以STM
2、32f103zet单片机为核心,根据各个传感器的特点,采用不同的校正方法对各个传感器数据进行校正以及低通数字滤波处理,之后设计了互补滤波器对姿态进行最优估计,实现精确的姿态测量。最后结合GPS控制与姿态控制叠加进行PID控制四旋翼飞行器的四个电机,来达到实现各种飞行动作的目的。在制作四旋翼飞行器的过程中,进行了大量的调试并且与现有优秀算法做对比验证,最终设计出能够稳定飞行的四旋翼无人机飞行器。关键词:姿态传感器;四元数姿态解算; STM32微型处理器;数据融合;PID- I -The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned Aerial Ve
3、hicleAbstractQuad-rotor unmanned aerial vehicle aircraft have a simple structure, and it is very easy to control, so it has become popular in recent years. Here article describes in detail the design and the process of making the four-rotor aircraft, including Quad-rotor UAV aircraft flight principl
4、e, hardware introduction and selection, implementation and realization of derivation attitude reference algorithm, the system software . The Quad-rotor aircraft control system STM32f103zet microcontroller core, and the advantages and disadvantages based on the accelerometer sensor, a gyro sensor and
5、 electronic compass sensors using different correction methods for correcting various sensor data and low-pass digital filter processing, after design complementary filter to estimate the optimal posture, precise attitude measurement. Finally, GPS control and attitude control PID control is superimp
6、osed four-rotor aircraft four motors to achieve a variety of flight maneuvers to achieve the purpose. Four-rotor aircraft in the production process, a lot of debugging and do comparison with the existing excellent algorithm validation, the final design to stabilize the Quad-rotor UAV flying aircraft
7、.Key Words:MEMS Sensor; Quaternion; STM32 Processor; Data Fusion; PID- III -目 录摘 要IAbstractII1绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外四旋翼飞行器的研究现状11.2.1国外四旋翼飞行器的研究现状11.2.2国内四旋翼飞行器的研究现状31.3 本文研究内容和方法42 四旋翼飞行器工作原理52.1 四旋翼飞行器的飞行原理52.2 四旋翼飞行器系统结构53 四旋翼飞行器硬件系统设计73.1 微惯性组合系统传感器组成73.1.1 MEMS陀螺仪传感器73.1.2 MEMS加速度计传感器73.1.3 三轴数
8、字罗盘传感器83.2 姿态测量系统传感器选型83.3 电源系统设计103.4 其它硬件模块103.4.1 无线通信模块103.4.2 电机和电机驱动模块113.4.3 机架和螺旋桨的选型123.4.4 遥控控制模块134 四旋翼飞行器姿态参考系统设计144.1 姿态参考系统原理144.2 传感器信号处理154.2.1 加速度传感器信号处理154.2.2 陀螺仪信号处理154.2.3 电子罗盘信号处理164.3 坐标系164.4 姿态角定义174.5 四元数姿态解算算法184.6 校准载体航向角265 四旋翼飞行器系统软件设计285.1 系统程序设计285.1.1 姿态参考系统软件设计285.1
9、.2 PID控制算法设计29结论31参 考 文 献32四旋翼无人机设计与制作1 绪论1.1 研究背景及意义 随着MEMS传感器、无刷电机、单片机以及锂电池技术的发展,四旋翼飞行器现在已经成为航模界的后起之秀。与固定翼飞行器相比之下四旋翼飞行器具有结构简单,控制起来非常方便,能够垂直起降,成本非常的低、稳定性也高,机动性非常强等特点。在民用可以代替有人机完成一些任务,在军事上有很强的战场生存能力。因此在这些领域应用广泛,如军事侦查、农林业调查、灾害检测、输电线巡查、玩具航模、航拍、气象探测等。四旋翼飞行器的飞行原理虽然简单,但是涉及到的知识面非常的广 杜浩.基于GPS/INS的多旋翼MAVS自主
10、飞行系统研制D.南京信息工程大学,2012,从机体结构的设计、传感器滤波算法、控制系统的设计和软件的设计都需要理论的支持。本次设计针对四旋翼飞行器姿态控制系统进行更深入的研究,它的研究将推动中国四旋翼飞行器的研究发展,为四旋翼飞行器在环境保护、气象、火灾、侦查追踪等民用和军用领域实现产业化作出突出贡献。廉价并且高性能的飞行器的研究将会拥有巨大的经济效益,能够对我国的科研事业起到巨大的推动作用。1.2 国内外四旋翼飞行器的研究现状1.2.1国外四旋翼飞行器的研究现状目前国外四旋翼飞行器的研究也是主要集中在飞行器姿态控制系统的新的理论的研究,比如:神经元网络控制算法、模糊自适应控制算法等。国外还在
11、四旋翼飞行器的自主飞行以及多机协同运作等方面有很多研究。下面对一些四旋翼飞行器进行简单的介绍:首先非常具有代表性的是美国Draganflyer公司研发出来的Draganflyer系列四旋翼飞行器 郎哲彦.基于模态切换的无人直升机双回路鲁棒控制器的研究D.天津大学,2012,如图1.1所示。这种四旋翼飞行器主要使用碳纤材料制作,因其载重能力强能携带高清摄像机,因此主要用途为航拍。另外还有Parrot公司研发的AR.Drone飞行器也是非常具有代表性,如图1.2所示。AR.Drone可以用手机远程控制,使用MEMS高精度姿态传感器,并且配备多种传感器和摄像头,使AR.Drone可以非常轻松地进行飞
12、行任务 马远超.四旋翼飞行器导航及控制技术研究D.哈尔滨工程大学,2013。德国在四旋翼飞行器研究方面也具有较高的水平,德国的MicroDrones公司推出的一款四旋翼飞行器MD4-200 姜洋.四旋翼垂直起降机的鲁棒控制问题研究D.哈尔滨工业大学,2009,如图1.3所示。该型号飞行器采用全碳纤工艺制作,负载能力强,而且非常省电。该型号飞行器配备有GPS卫星导航系统和摄像设备,能够很轻松的在室内和室外执行航拍任务。图1.1 DraganflyerX4四旋翼飞行器 图 1.2 AR.Drone飞行器现在许多科研院所已开始开展四旋翼飞行器相关科研项目,主要是针对四旋翼飞行器系统建模的研究和四旋翼
13、飞行器飞行功能的实现。美国宾夕法尼亚大学GRASP实验室设计出了一种能够编队飞行的四旋翼无人机飞行器,在这些飞行器上都安装有光源,通过安装在室内墙壁上的摄像头设备进行拍摄,从而确定飞行器的空间位置并且对其进行编队飞行控制操作,如图1.4所示。麻省理工学院设计的一款可以在室内进行地图测绘,定位和壁障的四旋翼无人飞行器系统,该系统通过激光雷达对周围环境进行测量,而且能够自动生成三维地图数据,并且根据周围的环境进行自主壁障和飞行路径规划,可以用于为危险环境的探测和搜救,如图1.5所示。图 1.3 德国MD4-200四旋翼飞行器 图 1.4 宾夕法尼亚大学四旋翼编队飞行1.2.2国内四旋翼飞行器的研究
14、现状现今四旋翼飞行器的研究在国内逐渐发展壮大并且已经形成产业。目前国内己经有许多公司(如Dj大疆公司)将四旋翼飞行器应用于商业化,如图1.6所示。图 1.5 麻省理工学院四旋翼飞行器 图 1.6 大疆四旋翼飞行器目前对四旋翼飞行器的研究主要集中在以下几个方面:(1)四旋翼飞行器的姿态控制。四旋翼飞行器研究的最主要技术难点在于对飞行姿态的控制。因其旋翼多,因此四旋翼飞行器比传统的直升机控制起来复杂。目前该领域的研究方向主要集中在飞行器的数学建模、控制算法和滤波算法。目前主要的研究算法有刚体旋转理论、非线性滤波法、四元数、捷联惯导算法、PID控制算法、模糊自适应控制等。(2)适合于四旋翼飞行器的新
15、的传感器技术的发展,国内外逐渐出现了通用的整合于一体的传感器模块,例如MPU6050传感器就是把加速度计和陀螺仪集成在一起。(3)电机和电池领域的发展。近些年来,无刷电机和空心杯电机的进一步普及和应用于四旋翼飞行器上,四旋翼飞行器的动力得到了很大程度的提高。锂电池和燃料电池的出现和应用大大增加了飞行器的续航能力。(4)GPS的发展。随着卫星定位技术的发展壮大,GPS也逐渐应用于旋翼飞行器,人们可以不用害怕飞行器故障之后会不会找不到,因为我们可以用GPS进行卫星定位,而且还可以设置航点,实现飞行器的自主飞行。(5)无线传输模块的发展。现如今无线传输可以应用的范围越来越广泛,蓝牙、WIFI等无线传
16、输方式越来越被普遍应用到飞行器上,从而实现手机的遥控控制。1.3 本文研究内容和方法本文研究基于MEMS传感器的姿态参考系统,通过对姿态测量传感器数据的分析,设计出了有效去噪的滤波方法;通过大量的查找资料对姿态解算算法和数据融合算法有了更深的理解,最后应用于设计的飞行控制器上实现了姿态角的测量。最后通过大量的实验验证了它们的准确性,实验数据和曲线验证了该姿态参考系统能够稳定的工作,具有很好地工作性能。本文一共分为五章,主要内容安排如下:第一章绪论部分主要介绍了该项目的研究背景及意义、四旋翼飞行器在国内外的研究现状和发展趋势。第二章主要介绍了四旋翼飞行器的飞行原理和系统结构框架。第三章详细介绍了
17、四旋翼无人机控制系统的硬件设计的工作。介绍了MEMS传感器的原理、特性和型号的选择和硬件电路图。飞行器控制芯片选择STM32,外围电路包括有姿态测量系统、电源模块、无线通讯、串口通讯、电机驱动、遥控器控制电路、GPS模块。 第四章说明了姿态参考系统的核心算法-捷联惯性导航算法的研究和实现过程。第五章针对软件实现部分进行了介绍,给出了编程的软件流程图和串级PID控制和定高控制方法。最后对本次设计进行了总结,提出了不足之处并对今后的研究工作进行了展望。2 四旋翼飞行器工作原理2.1 四旋翼飞行器的飞行原理四旋翼飞行器有两种模式,也就是X字模式(如图2.1所示)和十字模式(如图2.2所示)。其实这两
18、种模式差别不大,到X模式使用广泛,因此我们采用X字模式。四旋翼飞行器的四个电机对称分布在各个轴上,并且同一条轴线上电机的旋转方向要保证相同,相邻的电机旋转方向相反 李尧,四旋翼飞行器控制系统设计D.大连理工大学,2013。如果电机1、 3按照逆时针方向旋转的话,电机2 、4就要按照顺时针方向旋转,这样做为了克服反扭矩的影响。我们要通过控制4个电机的转速来完成飞行器俯仰、横滚、偏航等动作。 图 2.1 X型四旋翼飞行器模型 图 2.2 十字型四旋翼飞行器模型2.2 四旋翼飞行器系统结构四旋翼无人机采用模块化设计,如图2.3所示。分别由控制模块、姿态测量系统、电源供电系统、无线通信模块、GPS卫星
19、定位系统、遥控器控制模块、电机驱动模块、串口通信模块、地面站系统。四旋翼飞行器控制器的核心任务是姿态的测量,它的作用是为飞行器控制系统提供实时、精确的飞行状态测量数据。常见的四旋翼飞行器人们大多是采用基于MEMS传感器来测量飞行器姿态数据 宋英麟,鲜斌,茹滨超,曹美会.无人机微型姿态航向系统数据处理J.中南大学学报.2013。但是这些初始的传感器数据并不能直接应用于姿态解算,需要对传感器数据进行滤波处理,并且需要对陀螺仪漂移问题进行实时的数据补偿,这样做能够有效提高飞行器姿态测量精度,确保控制系统的姿态角的准确性和稳定性。图 2.3 四旋翼飞行器系统结构框架四旋翼飞行器的主控板选择的是意法半导
20、体公司生产的STM32f103zet芯片,STM32系列的单片机是基于Cortex-M3内核的处理器,功耗低,处理速度非常快,最高工作频率可达72MHz,7通道DMA控制器,支持定时器、ADC、SPI、IIC、USART等外设,多达112个I/O口,8个Timer定时器, 5个串行USART接口,3个SPI接口,2个IIC接口 滕守明,鲁奕,李响.基于STM32芯片及CAN总线在汽车上的应用J.无线互联科技.2013。电源模块采用11.1V锂电池外部供电,连接电子调速器为控制器提供5V电压。控制器上还有3.3V稳压芯片,为控制芯片供电。遥控器控制模块,控制器对遥控器数据进行捕获处理该部分我们通
21、过对STM32定时器进行输入捕获配置,捕获接收机发出的PWM信号,把该信号转化成控制量在经过PID控制把输出量给四个电机,进而控制飞行器的动作。GPS卫星定位导航系统,配合上位机在上位机上输入一些GPS坐标点,控制系统就会自动生成航线,并且能够从GPS系统中读取定位数据 黄鹏宇,曾路荣,杨川,彭远行,余成波.一种新型灾难救援四轴航拍飞行器设计J.四川兵工学报.2014,并且与存储的定位坐标做实时的对比,然后修正航线,将定位坐标显示在上位机上,处理并显示当前位置。3 四旋翼飞行器硬件系统设计3.1 微惯性组合系统传感器组成3.1.1 MEMS陀螺仪传感器陀螺仪是一种能用来维持方向与角速度(获取角
22、速度)的装置,设计原理是角动量守恒。简单的说就是一个高速旋转的物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时不会改变。这种用来保持方向而制造出来的装置就叫陀螺仪 王曙霞,梁洪洁,王小营,刘伟.基于虚拟仪器的机载陀螺仪测试系统研究J.电子设计工程.2010,如图3.1所示。陀螺仪多用于导航定位系统中,姿态控制系统中多采用三轴陀螺仪,如图3.2所示。 图3.1 陀螺仪 图 3.2 MEMS三轴陀螺仪3.1.2 MEMS加速度计传感器能将物体加速度的信息转换为电信号的传感器称之为加速度传感器。在姿态控制系统中,加速度传感器用来测量与重力方向的夹角。当应用到实际中时我们就可以理解加速度传感器输出的信号是当地坐
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