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二 〇 一 年 六 月
本科毕业设计说明书 题 目：四旋翼飞行器无刷直流调速系统设计 学生姓名： 学 院：机械学院 系 别： 专 业： 班 级： 指导教师： 讲师
摘要
最近这些年来，四轴飞行机在国家建设中发挥了越来越重要的作用。所以对于四轴飞行机的学习与设计有着至关重要的作用。
四轴飞行机它的硬件这部分选取了STC15W4K48S4型号的单片机作为其控制的芯片，它的保密性能很强，而且具有很强的抵抗干扰的能力，并且其能耗较低，下载程序是经由串行口下载，方便快捷，其本身内部的储存器更方便程序的暂存。采用MPU6050做陀螺仪加速度计，MPU6050陀螺仪测量范围宽，测量精度高，做四轴飞行机的陀螺仪是再好不过的选择。采用NRF24L01蓝牙2.4GHZ 直插模块，本次选取的蓝牙模块功耗低，通信能力强。
在研究四旋翼无人飞行器的结构与原理的设计中，我们通过牛顿力学还有刚体力学的结论这两个理论才建立了四旋翼无人飞行器它的数学模型，这样得设计就能够很有效的提升系统的性能。
在通过四旋翼无人机的姿态的解算中，通过PID算法，解算欧拉角与四元素的数据，从而使飞行器飞行更加平稳，也可对其轨道进行规划，这样便可以实现自主飞行，而PID算法的可靠性与稳定性强。
本次设计我们通过编写代码设计PID算法来实现对四旋翼无人飞行器软件的控制，从而可以实现各模块间的相互分工与合作。
关键字：四旋翼无人飞行器；硬件设计；PID；欧拉角；飞行姿态
Abstract
The four rotor unmanned aerial vehicle (UA Vs) has been playing an increasingly important role in national construction in recent years. The design and research of the four rotor unmanned aerial vehicle (UA V) is of great significance.
The four rotor UA V hardware using STC15W4K48S4 microcontroller as the control chip, the strong confidentiality, and strong anti-interference ability, low power consumption, through the serial port to download the program, convenient storage, its internal procedures more convenient storage. Using MPU6050 as gyro accelerometer, MPU6050 gyroscope wide measurement range, high measurement accuracy, as the four rotor aircraft gyroscope is no better choice. Using NRF24L01 Bluetooth 2.4GHZ inline module, the selected Bluetooth module has low power consumption and strong communication ability.
In the study of the structure and principle of the four rotor unmanned aerial vehicle (UA V), the mathematical model of the four rotor unmanned aerial vehicle (UA V) is established by using Newton mechanics and rigid body mechanics theory, so as to improve the reliability and stability of the system.
In the four rotor UA V attitude algorithm, using PID algorithm, so as to make the aircraft more smoothly, but also the planning of its orbit, so that we can achieve autonomous flight, and the reliability and stability of the PID algorithm is strong.
The design of the four rotor UA V software control, through the preparation of C language code to control each module, to achieve cooperation between the modules.
Key words:four rotor unmanned aerial vehicle; hardware design; PID; Euler angle; flight attitude
目录
绪论 (1)
1 课题背景 (1)
2 国内外研究现状 (1)
第一章飞行器原理控制 (3)
1.1飞行器原理介绍 (3)
1.2 3相6臂电路 (3)
1.3反电势过零检测 (4)
1.4遗传优化算法控制 (5)
1.5灰色控制 (6)
第二章四轴无人飞行机硬件 (7)
2.1 STC15W4K48S4单片机 (7)
2.2 陀螺仪MPU6050 (9)
2.3 蓝牙模块 (10)
第三章四轴飞行机运动原理数学建模 (11)
3.1 坐标系定义与姿态转换 (11)
3.1.1 导航坐标系 (11)
3.1.2 机体坐标系 (11)
3.1.3 欧拉角 (11)
3.1.4 四元数 (13)
3.2 四旋翼运动学模型 (15)
3.3 四旋翼动力学模型 (16)
第四章姿态控制 (17)
4.1 四元数控制 (17)
4.2 欧拉角控制 (17)
第五章软件控制 (18)
5.1 PID算法变量 (18)
5.2 姿态处理和PID (18)
5.3 PID 手动微调参数值 (18)
5.4 四元数解算 (19)
IMUupdate(Angle_gx*0.0174533,Angle_gy*0.0174533,Angle_gz*0.01745
33,Angle_ax,Angle_ay,Angle_az);//0.174533为PI/180 转换弧度制 (19)
5.5 MPU6050 Y轴指向 (19)
5.6 PID控制数值--X机型控制 (20)
5.6.1 将速度参数加载至PWM模块 (20)
结论 (22)
参考文献 (23)
附录 (25)
谢辞.................................................................................. 错误！未定义书签。
绪论
1 课题背景
四旋翼无人飞行器是一种依靠电力来驱动的没有人员驾驶并且可以经过很多次使用的无人飞行器。四旋翼无人飞行器它的四个桨叶都是与电动机直接相连接的简单结构，这种结构布局的分布是一种十字形的布局，这样的结构可以让无人机在改变马达的旋转速度的时候来获取整体上升的动力，进一步实现飞行器的运动，四旋翼无人飞行机开始生产于1920年，而在1980年才得以进入十分迅猛的发展阶段。而最近的几年来得益于微型计算机控制研究的快速进步，使得稳定的无人飞行机得到了社会的广大重视，使其使用远景变得十分可观，而且特别是在现代战场上已经得到了全世界的高度重视，四轴无人机在现代战争中主用于战场上的地面战场伺探和地面战场监控，可以获取不易获取的情报。而此外四轴无人飞行机还可以用于靶机替代，诱饵替代，武器运输，战斗辅助等用途。而其在民用领域也应用广泛，可以用于灾后搜救、城市交通巡逻、环境监测、人工降雨、航空拍摄等等的重要方面。因为它的使用前景宽阔，在以后的国家军事与社会发展中将发挥非常重要的作用。
2 国内外研究现状
二十世纪七十年代，德国的Mannesmann公司Indramat分部在一个交易博览会上正式发布了MAC无刷直流电动马达及其电机伺服系统，这标志着无刷直流电动机开始了一场变革。而以后，世界上许多科学家对无刷直流电动机进行了更为深入的研究，成功的发明了梯形波型、方波和正弦波等等的无刷直流马达。但一直到了1990年以后后，计算机技术与控制理论的快速进步，才使得单片机、信号处理器、复杂可编程器等等的微处理器得到了十分迅速的进步，运行的速度和数据的存放空间都有了很大的进步，从而加速了无刷直流电动机的快速进步。此外，一些较为先进的控制逻辑和方法的进步与完善，使得这些先进的理念可以被广泛地使用到无刷直流马达的调控结构中。而且这些方法在可以提高无刷直流马达的控制系统在对转矩波动的抑制、转速动态和系统抗干扰以及稳态响应速度这些地方提供了有效的方法，广泛的提升无刷直流马达的调控系统的使用范畴，同时也丰富了相关控制理论的内容。而最近这些年来,国内的四轴无人飞行机也得到了空前的进步。这其中中国科学院沈阳自动化研究所成功的研发了一款功能强悍的无人机,它外观类似小型的直升机,可用于天灾人祸的事故的救助,最大工作载重为四十千克,最大飞行时速为九十千米每小时,最大的飞行时间为一个半小时,飞行高度为三千米。而最近北京航空航天大学机器人研发中心成
功的发明了无人机的一种飞行程序,这个成果参加到了的第二十四次南极科考的活动中,得到了强烈的好评，并且在一百五十米的高度完成了两次一刻钟，二十五千米的实现了近地飞行,而且经过自身携带的红外线元器件达到了对环境的温度的精准的测试。四轴飞行机总质量为二十千克,可以提升五千克的有效重量,行进的时速可以达到50公里\小时,最大飞行时间为6小时,可以抵抗6级大风,性能可以堪比国外的同-
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类产品。
第一章飞行器原理控制
1.1飞行器原理介绍
四轴无人飞行机是一种新型的功能全面的可以垂直起飞与降落的无人飞行机，它的机械结构比较简单、带载能力较强、行进过程很稳定。四轴无人飞行机涉及到了空间动力分析、带载能力强、数学模型建立、电路电子的创立、精准导航的理论学、精确传感器技术、飞行姿态的控制技术等高端、精准、前沿的理论技术，是以建立四轴无人飞行机的飞行动力学模型才是设计它的最重要的前提条件。四旋翼无人飞行器是一个有着四个输入，同时还有六个传递不足的驱动模型，因为飞行器本身系统具有非线性的性能高，有限的控制量及受控目标数量度而且稳定性容易受到环境和自身条件影响的特点，所以性能完善的数学建模是非常困难的。
四轴飞行机主要动力来源依靠锂电池来实现供给。但因为锂电池的局限性作为四轴飞行器的动力能源不能满足其连续飞行的要求条件，进而限制了无人飞行器的更为广阔的使用，然而当代的技术虽然可以将飞行器做到尽量微型化，一定程度延长了连续的飞行时间，但是并没有从根本的能源供给不足这个核心问题上得到解决。四轴飞行机的组成包括了飞控、机架、电动机、电调、螺旋桨等等，将电路控制的结构如下2-1所表达。
图1-1 无人机电路结构
1.2 3相6臂电路
四轴飞行机的电动机驱动电路调控系统结构为图2-2所示。在本电路中我们采取了三相六臂的全桥驱动方式，因为采取此种方式可以有效减少电路中电流的波动和转矩的脉动，从而能够让电动机输出较为大的转矩。在电机的驱动部分我们使用了六个功率场效应管用来控制无人机的输出电压，在四旋翼无人飞行器中，直流永磁无刷电动机启动电源需要的电源电压为十二伏。这些场效应管内有着不断流的二极管，这些不断流二极管能够为场效应管关断的时后提供电流的导通状态，用来规避效应管的反向击穿现象，本次设计中直流永磁无刷电动机的驱动控制采取了三相六状态的调控方法，这些功率管同时包含6种开关的形式，然而每一次仅仅有两个管子互相连接，并且每经过六十度的电角度就会改变1次方向，但是如果在某一时刻AB 两相互相导通的时候，并且C 相断路，这是电路内是没有电流输出的。所以此时的单片机可以通过查探到的电动机转子的方位，利用MOSFET 的接通的特性，来选择电动机的通断电，比如，当Q1、 Q5打开的时候，同时AB 两相互相导通，这时电流的流向为电源的电源的负极→Q5→B 绕组→A 绕组→Q1→正极。与此同时，当MOSFET 打开顺序分别为Q1Q5到 Q1Q6到Q2Q6到Q2Q4到Q3Q4到Q3Q5的时候， 只有在恰当的位置时间便可以进行精确的方向的改变，这样便可以成功对直流永磁无刷电动机的连续运转的调控。
图1-2 电机控制系统电路图
1.3反电势过零检测
如果无刷直流电机想要正确地实现控制，则应该对转子位置进行监测，以获得准确的换向要求。电动机转轴的方位检查模式主要基于霍尔传感装置监控、红外编控码盘监控和无感检查这三种方式。因为四轴无人飞行机的直流永磁无刷电动机要求结构简便、整体质量较小，故而选取无位置传感装置这种检查方法，换向的方法是通过第
3相产生的电流在过零点时刻经过三十度来转换方向的。然而这种方法可能会在电动机的启动时产生一些麻烦，而且它的可控性比较差，但是因为这种电路的结构更为简便、并且成本比较较低，所以这种方法比较适合于在平时飞行的过程中电动机不需要频繁启动的四旋翼无人飞行器。
因为直流永磁无刷电动机是其中2个电相相互连接的结构，所以这样就可以通过不连接的第3相来检查反电动势的大小以及方向。3-2图介绍了其电路图。经过连续的让中性点N的电压值和C
,，3相3终端的电压值进行比较，这样就可以检测出
A,
B
每以相经过零点时分的感生电动势。并且通过模拟器来选择各个端口的寄存器，这样使用了单片机本身所携带比较方便的复用能力。当B
A,两路互连接的时候，C路的反电动势和N来通过对，同理，这样能够精准的监控出每一相的过零点的时间。
当电动机的反电动势监控结果被计算后，接着由得出的反电动势经过零点的角度的时间，这样便能够在反电动势经由0点后延迟三十度的电角度来对比安排方向。
图1-3 反电势检测电路
1.4遗传优化算法控制
一般的遗传算法通常采用交叉和选择算子还有变异算子这几种最根本的原始数据，这样可以把整个运算的过程变得非常简便，这种计算方法的主要结构拥有染色体计算、选项的计算、单一适应度选评计算、结构改变的计算、互相改变的计算还有运行的数据结果等等。采取自适应的相互改变、结构改变来改进遗传计算来选择PID 的最优化的选项。
（1）染色体编码方式通常普遍的的编码结构便有实数值编码结构和二进制编码结构。采用二进制编码的时候，因为编码串过于长，并且需再将其解码为实数，所
以就有着数字化的误差，这样就减少了寻优的速度和精确度；而实数编码就是通过对它的原有的数据间接进行遗传控制的措施，这种方法具有求解精度高、便于大空间搜寻的优点。如果结构里有多个数据需要改变，则可以通过这一些数据成为一个简单的分量来组成一个多维的向量，从而得到了单一的编码数据为P=[p1,p2,pn]。在结构里P便代表一个分量，pi则是在第i个数据结构内部随机所诞生的一个普通的分量,n就是等待公式优化结构的所有素具的数目。此次设计中每一个个体都有三个分量分别是Kp、Ki、Kd，而它们的取值范围只精确在0.0001～10这之间。
（2）原始族群的生成第一先根据调控器的普遍的工程研究的方式来调节出选择的值，这样就能够在这个数据的周围来构建原始族群。这种方法相比标准遗传算法，通过这种的方法所诞生一定数量的单一数据的组成原始群体，这样便可以使得搜索的空间更小，这样便可以迅速搜索到最优解。
（3）最佳保存的方法和选择的方法最佳保存方法就将两代群体之间通过遗传选择后里面的最好的值将其保留下来的方法，如果在两代比较中的最佳的值要比前一代的值好时，就把这个值作为最佳的值保留下来；如果不是，就去掉新产生的一个个体的值，最后把前一代里拥有最佳适应度的一个数据的个体放到最后一代的个体之中。最佳保存方法能够使当前最佳值得个体不会被三种遗传算法改变，可以保留下最佳的一个个体。本次设计中我们就是选择的是按比例适应度的分配方法，选择这种方法能够使得每一个数据被选中的概率和它最佳程度作为正比例。
（4）遗传算法中最佳PID 的数据结构和使用遗传算法最佳化Kp、Ki、Kd的具体方法结构：
①开始选择每个数据的大体取值的范畴，然后进行选择计算；
②每一个原始族群的构成都是由随机产生的许多个体组成；
③通过公式来计算, 再计算出最适应函数的值；
④每一代新族群的产生都是通过遗传算法进行计算后的结果；
⑤重复步骤③、④,一直到数据的收敛或者其可以达到预期的目标。
1.5灰色控制
灰色系统理论在经由对“部分”已知的信息的研究选择来实现对本体现实中的观念的精准的叙述和认知。下列是灰色系统的讲解：
公理1（差异信息原理）：“差异”就是一种信息，但凡是信息则必定有所差异。
公理2（认知根据的原理）：认知的根据就是信息。
公理3（灰性不灭的原理）：信息并不是完全绝对的。
灰色系统的原理最强大的功能，便是经由社会、经济、生态许多方面的结构的特殊数据，进行连续的寻找不一样结构的变量这两者之间或者一些结构的数据和其本身的对应关系和变化定律。灰色系统的理论。
而且在规律上，学习任何一个结构的数据特征，一定会得到一连窜精确的白数数据，而普遍认为的就是将其看作一些随机过程的某一个轨道或者现实，当然也能够将其看做为灰色过程的白化值，只是这些没有太特别的不同在其本质上。
第二章四轴无人飞行机硬件
四旋翼飞行器主要由微控制器飞控、蓝牙接收模块、陀螺仪组成。
2.1 STC15W4K48S4单片机
在本次设计中选取STC15W4K48S4单片机，因为STC系列的单片机其用有强大
的抗干扰的能力、而且它的保密性能很强达，不易被破解、在其单片机内部的时钟具有防止外部电磁辐射的能力、使用电压较宽，且对与电源的抖动具有很好的抵抗能力、使用的温度范围很宽可以在-40℃~85℃范围内使用、工作能耗较低，在掉电的模式下功耗为μA 0.1<，在耗电的模式下功耗约为2mA ，在正常工作模式下典型的功耗约为7mA -4mA ，并且在没有供电的模式下单片机能够被他外部的中断唤醒，这样就能够用在通过外部电池供电时候的模式、对其单片机的内部增加了EEPROM 储存器，这有利于保存数据、在下载程序的时候可以使用串行口进行下载，这更加方便于程序的烧录、stc 单片机同时也具有58K 字节的程序存储器，本次选择的单片机同时支持USB 口来下载程序和串口这两个端口同时下载程序，并且在它的里面聚合了具有很高的精准度的R/C 时钟和特别精准的复位电路，STC15W4K48S4同时也得支持 5.5V ～2.5电压工作范畴。单片机的P3.0引脚：它的作用是I/O 口；P3.1它的作用也是标准I/O 口;和P3.2/INT0它的作用也是I/O 口为PORT3同时外部中断为0，其工作是既可以上升沿中断也可以下降沿中断，但是如果ITO(TCON.0)口为高电平上升沿时，INTO 引脚只能为低电平下降沿中断。而如果ITO(TCON.0)被清为0时，INTO 引脚同时支持上升沿中断和下降沿中断，INTO 可以支持掉点唤醒；P3.3/INTI 引脚是标准的I/O 口为PORT3,其外部中断为1，可同时支持上升沿中断与下降沿中断，但是如果IT1(TCON.2)端口为高电平上升沿时，INT1引脚只能为低电平下降沿中断。但是如果IT1(TCON.2)这个引脚为低电平下降沿时，INT1的引脚则既支持上升沿中断也能够支持下降沿中断；P3.4/TO/T1CLK0/ECI-2引脚也是I/O 口为PORT3,TO 引脚为定时器0的外部输入；等等。图2-1是STC15W4K48S4电路图。
图2-1 STC154K48S4电路图
2.2 陀螺仪MPU6050
在本设计中选取MPU6050作为四轴飞行机的陀螺仪和加速度计。MPU6050是一个将三轴陀螺仪和三轴的加速度整合到一起的芯片，并且其中包含了可以和其他厂商的磁力传感器、加速度计相连接起来的的第二个IIC 的端口。用IIC 的端口，来结构为一个独立的数据指向的输出到使用端的一个成熟的九轴的移动算法的融合算法库，这样就能够处理一些复杂的运动传感的数据，从而减少了运动处理计算与操作系统的负载，并且具有了适合供基础设施的应用的开发功能,陀螺仪MPU-6050是全世界的第一个九轴的运动处理元器件。陀螺仪MPU6050在开发研制的过程中融合了三轴的陀螺仪，和三轴的加速度计。在扩展了它之后便可以通过它的I2C 或者SPI 的接口来输出一个九轴的数字信号，在6050-MPU 中陀螺仪和加速度计共同选取了三个十六位的ADC ，这可以把MPU6050的所有监控的模拟量都转变为能够传递出的数字量。这方便了随时的监控快速和慢速这两种的运动方式拿出了简单的方法，并且传感装置的监控范畴也都是使用者可以调控的，而MPU6050陀螺仪的可以测量的范畴是）dps 秒（2000?±，1000±，500±，250±，并且加速度计的可以测量范畴是16g ±，8±，4±，2±。图2-2 MPU6050电路图。
图2-2 MPU6050电路图
2.3 蓝牙模块
在本次的设计中我们选取了NRF24L01来作为飞行机的通讯模块，本硬件能够支2.4GHZ的ISM频段，并且它的最大的发射功率是0dBm，而且它传输的速度在最大时是2Mbps，它的能耗是非常的低的，在等待的工作条件下电流仅消耗为22uA，并且在发射的工作条件下电流消耗仅为11.3mA，其使用的温度范围很广在-40—+85 ℃温度范围之间都可以使用，其管脚1为GND电源地功能，管脚2为IRQ中断输出功能，中断信号引脚。中断时变为下降沿，这就说明通过NRF24L01的内部获得中断时IRQ 的端口能够由高电平转变为低电平，管脚3是MISO SPI的输出功能，在CSN 为低电平的情况下，CE可以协同NRF24L01的CONFIG 寄存器来共同控制NRF24L01的状态，管脚4是MOSI SPI的输入功能，用来控制芯片的输入输出，管
脚5是SCK SPI的时钟功能，管脚6是NC为空，2-3是NRF24L01电路图。
图2-3 NRF24L01的电路图
第三章四轴飞行机运动原理数学建模
3.1 坐标系定义与姿态转换
3.1.1 导航坐标系
在导航所公认的坐标系中其方向的设定是北、东和下（w X，w Y，w Z），但是导航的坐标系是不运动的，并且其与地球表面的正切平面所相连接。如果四轴飞行器在刚起飞的时候，则导航系统的坐标系原点o N将初始化为四旋翼无人飞行器的质心。
3.1.2 机体坐标系
在此次设计中四轴无人飞行机的机体坐标系的坐标原点可以由四轴飞行机的质心所在的位置来交换，如图 3-1 所示，在本次设计中以机身旋翼一与机身旋翼三所在的方向做为其的X轴，以机身旋翼二和四所在的方向做为其的Y轴，所以在平面内，和X轴和Y轴所相互垂直的方向为Z轴。因此整体的四轴飞行机的机体坐标系应该是置于四轴飞行机的机体上的右手准则标准坐标系。
图3-1 机体坐标系
3.1.3 欧拉角
欧拉角就是一种可以表达刚体在三维坐标之中的选取方向的方法之一。莱昂哈德·欧拉莱昂哈德·欧拉对其做这样的解释在一个参考系中，如果只是需要按照一定的次序，那么可以从这个选取的参照系统来开始，通过3个欧拉角的转动，来实现一个刚体的方向的选取。这样只要我们能够确定这三个基本的旋转矩阵再将其通过复合运算便能够表达的出刚体在空间中的转动的变化。
导航的坐标系和机体坐标系这两个坐标系之间能够进行相互转化的连接的通道就是欧拉角。其表达为图3-2和图3-3，这便是导航的定为轴首先由经过Z轴来旋转角度ψ，然后旋转成中间坐标系1，所以四轴飞行机的机头的朝向就是由这个角度所确定的，再然后可以绕着新的坐标系的1Y旋转θ，飞机的俯仰角便是这么定义的，最后绕2
X轴的旋转角度φ，飞机的倾斜角度就是这么定义的，下图3-4便是给出了机体坐标系和导航坐标系之间的欧拉角两者的3D状态。
图3-2 机体坐标系
图3-3 欧拉角与坐标转换
图3-4 欧拉角的3D 图形表示
3.1.4 四元数
四元数能够将其简化为一个单一的超复数。而且我们都知道实数再加上元素 i 就组成了复数，而这其中1-i 2=。这样便相似地定义为，通过实数再加上 i ， j ， k 这些元素就组成了所有的四元数，所以这几个元素之间的关系便表示为：i=-1与复数都一样都是做为四元数的一个超复数并且都是 i ， j ，k 元素与数字的结合组成，这样就能够推理出四元数的普通表达方法是d ck bj ai +++，这式中 d c b a ，，， 所获得的数据值是通过数据在四轴飞行机的飞行动态计算中获取的，而它的核心便是姿态的转变，所以我们就可以表达姿态转便的有四种方式：通过矩阵表达其姿态的转变、通过欧拉角来表达姿态的转化、通过轴角来表达姿态的转化与通过四元数的转变来表达姿态的转变。但是矩阵的表达一般是通过向量的变换来表达的，而欧拉角转化一般用于直接表达姿态的转变，所以轴角的表示通常可以用于几何的推导，因此四元素的表达通常可以用于组合旋转。综上所述我们考虑到飞行动态的方向改变次数和使用这种方向改变的方法来转化模量，因此我们就选取了四元数来作为飞行动态的一种获取方法，而且我们选择了用矩阵来表示所完成向量的变换与辅助四元素法的方案。
因此在本次设计中我们使用了0q 来表达一个四元素。
}{}{T z y x w v w q ,,,,0== 四元数的模与一般的模量接近，表示为：
标准化的四元数可以表达为下式，这种四元数的标准化就能够作为一个方向的改变：
经由四元数的相乘这种方法，能够获取一种旋转组合：
）
（1-3）
（2-3）
（3-3
由四元数来作为旋转轴和角度的表达方式。这样便将其定义成一个运算),(0φw q 的单位向量 w 所以旋转φ角的旋转可以通过四元数法进行表示：
用),(q 0θw 解出一个更为简便的运算），（t f q ，就是当两个向量，向量 f 与向量 t 的旋转方向一致时，这样这个运算就能够得出四元数表达的相对旋转：
最后便是四元数转矩阵的表达，这样我们就再一次的定义了一个运算R(q)，来显示出四元数0q 和矩阵的转化的规律：
一般我们由四元数互相乘能够表达出这几个旋转的结构：
我们也可以把四元数所表达的飞行状态改变为欧拉角：
四轴飞行机在其起飞前都会进行复位执行过程，这个复位执行过程的原因就是用来确认惯性坐标轴的。所以在起飞之前其惯性坐标轴和飞行器坐标轴都是相同的，这便是我们在四轴飞行机的理论中所建立出来的坐标轴，因为四轴飞行机的坐标轴是不断的在转化的。所以在运动的过程中，四轴无人机的坐标轴下的X 轴和惯性坐标轴
）
（4-3）
（5-3）
（6-3）
（7-3）
（8-3）
（9-3
下的X 轴，这两个轴的夹角就是俯仰角，而四轴无人机的坐标轴Y 轴和惯性坐标轴Y 轴,这两个轴的夹角就是翻滚角，四轴飞行机的坐标轴Z 轴和惯性坐标轴Z 轴，这两个轴的夹角就是偏航角，所以上边的三个角就是欧拉角。
3.2 四旋翼运动学模型
四轴飞行机的坐标系要与地理坐标系变为一致，下图 3-5 中所表达的。在四轴飞行机中由两个马达是在进行顺时针的旋转，而同时另外的两个马达是在进行逆时针的旋转，这样就可以防止四旋翼无人机的机体自旋。因此经由变换4个马达的旋转速度，就可以调控四旋翼无人飞行器的平移运动与旋转运动（即6个输出）再经过组合4个转子的力，这样就能够产生前进，后退，左右上下的运动的力。
图3-5 机体坐标轴
在地理的坐标轴中v 线速度和机体坐标轴里的v 线速度V 都能够通过改变矩阵 R 来得到：
v V R V ?=
式中的)()()(),,(θθψψθφX Y Z R R R R =通常称做为合成转换矩阵，其作用就是为了从机
体坐标系转变为导航地理中的坐标系，它的具体表现形式为：
这样就可以获取飞行机坐标轴线速度的推理方式：
）（10-3）
（11-3
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：
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STM32f103zet 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
The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned Aerial Vehicle Abstract Quad-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 principle, 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 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 superimposed 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. Key Words：MEMS Sensor; Quaternion; STM32 Processor; Data Fusion; PID
最高效的四旋翼无人机 数据采集建模 CKBOOD was revised in the early morning of December 17, 2020.
最高效的四旋翼无人机数据采集建模 一、简介 近年来，微小型四翼无人机已经成为了无人飞行器研究领域的一个热点。它结构简单、机动性强、便于维护，能够在空中悬停、垂直起飞和降落。在军用和民用方面具有较大的潜在应用价值，国内外许多研究单位纷纷致力于四旋翼无人机飞行控制的架构设计与飞行控制研究，以实现四旋翼无人机的自主飞行。机载传感器系统是四旋翼无人机飞行控制系统的重要组成部分，它为机载控制系统提供可靠的飞行状态信息，是实现四旋翼无人机自主飞行的重要设备。 现在无人机应用最广的是倾斜摄影技术优势或者说最吸引用户的，就是利用倾斜摄影技术可以全自动、高效率、高精度、高精细的构建地表全要素三维模型。 二、四旋翼无人机特点 1、机动性能灵活，低空性能出色。能在城市、森林等复杂环境下完成各种任务。可完成空中悬停监视侦查。实现对动力要地低，能在狭小空间穿行，能垂直起降，对起降环境要求低。 2、对动力要求较小，产生的噪音低，隐蔽性能高，安全性能出色。四旋翼无人机采用四个马达提供动力，可使飞行更加稳定和精确。 3、结构简单，运行、控制原理相对容易掌握。 4、成本较低，零件容易更换，维护方便。
三、飞行软件 目前无人机种类繁多，针对无人机开发的飞控软件也有很多，目前比较好用的是DJI GS Pro、DJI GO4、Litchi Vue、Pix4d等。 四、数据采集，使用DJI GS pro 1、打开DJI GS pro软件，点击新建任务 2、点击测绘航拍区域模式 3、点击地图选点（飞行定点比较耗飞机电量，无特殊情况建议不使用） 4、点击屏幕就会出现一个航测区域，手动拖拽四个定点可以改变航测的面积和形状，同时也可以手动增加拐点，让航测面积更加的灵活多样。并且在右边的菜单栏里选择好对应的云台相机；设置好任务的高度，任务的高度和拍摄的清晰度，成图的分辨率有很大的关系；大面积的时候尽量选择等时间拍照，因为能上传的航点是有限的。 5、点击进入右侧菜单的高级选项之中，重新设置一下航测的重叠了，一般航向和旁向重叠率是700%和70%（最好不要低于70%）；设置好云台俯仰角，正射影像图一般为-90°，拍摄3D立体时一般为-45°；设置好返航高度，确保返航时不会碰撞到障碍物。 6、点击右上角飞机左边更多选项，点击高级设置（地图优化限中国大陆地区使用打开）；这点也是最关键的一点，这时候一定要点开中国大陆这个选项，不然飞行器的位置是偏移的。会导致航测任务区域整体偏移，有一部分任务没有拍摄到。
实验报告 课程名称：《机械原理课内实验》 学生姓名：徐学腾 学生学号：1416010122 所在学院：海洋信息工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 报导教师：宫文峰 2016年6 月26 日
实验一四旋翼飞行器实验 一、实验目的 1.通过对四旋翼无人机结构的分析，了解四旋翼无人机的基本结构、工作的原理和传动控制系统； 2. 练习采用手机控制终端来控制无人机飞行，并了解无人机飞行大赛的相关内容，及程序开发变为智能飞行无人机。 二、实验设备和工具 1. Parrot公司AR.Drone 2.0四旋翼飞行器一架； 2. 苹果手机一部； 3. 蓝牙数据传输设备一套。 4. 自备铅笔、橡皮、草稿纸。 三、实验内容 1、了解四旋翼无人机的基本结构； 2、了解四旋翼无人机的传动控制路线； 3、掌握四旋翼无人机的飞行控制的基本操作； 4、了解四旋翼无人机翻转动作的机理； 5、能根据指令控制无人机完成特定操作。 四、实验步骤 1、学生自行用IPHONE手机下载并安装AR.FreeFlight四旋翼飞行器控制软件。 2、检查飞行器结构是否完好无损； 3、安装电沲并装好安全罩； 4、连接WIFI，打开手机AR.FreeFlight软件，进入控制界面； 5、软件启动，设备连通，即可飞行。 6、启动和停止由TAKE OFF 控制。 五、注意事项 1.飞行器在同一时间只能由一部手机终端进行控制； 2. 飞行之前，要检查螺旋浆处是否有障碍物干涉； 3. 飞行之后禁止用手去接飞行器，以免螺旋浆损伤手部； 4. 电量不足时，不可强制启动飞行； 5. 翻转特技飞行时，要注意飞行器距地面高度大于4米以上； 6. 飞行器不得触水； 7. 飞行器最大续航时间10分钟。
基于多旋翼无人机平台的便携式空中训练模拟器设计 周一辉１,姚一伟１,周一强２ (１．中国电子科技集团公司第五十一研究所,上海２０１８０２;２．解放军３２０９０部队,河北秦皇岛０６６１００)摘要:舰载电子战装备存在因辐射源架设原因引起的反射二散射问题导致模拟作战训练困难的情况,难以对使用人员的技术水平和操作能力进行快速提升.设计了一款挂载在多旋翼无人机平台上的小型化训练模拟器,可在空中任意位置或任意轨迹遥控发射射频信号模拟训练目标,解决了模拟训练困难的问题.通过样机测试数据及相关试验效果验证了本设计的可行性,可有效提高使用人员的技术水平二操作能力. 关键词:电子战装备;训练模拟器;多旋翼无人机;技术水平 中图分类号:T N ９７一一一一一一一一文献标识码:B 一一一一一一一文章编号:C N ３２Ｇ１４１３(２０１９)０３Ｇ０１０４Ｇ０４ D O I :１０．１６４２６/j ．c n k i ．j c d z d k ．２０１９．０３．０２３D e s i g no fP o r t a b l eA i rT r a i n i n g S i m u l a t o rB a s e do n M u l t i Ｇr o t o rU A VP l a t f o r m Z HO U H u i １,Y A O W e i １,Z HO U Q i a n g ２(１．T h e ５１s tR e s e a r c h I n s t i t u t e o fC E T C ,S h a n g h a i ２０１８０２,C h i n a ;２．U n i t ３２０９０o fP L A ,Q i n h u a n g d a o ０６６１００,C h i n a )A b s t r a c t :T h e p r o b l e m s o f r e f l e c t i o n a n d s c a t t e r i n g c a u s e d b y t h e e x e r t i o n o f r a d i a t i o n s o u r c e s e x i s t i n s h i p Ｇb o r n e e l e c t r o n i cw a r f a r ee q u i p m e n t ,w h i c h m a k e s i td i f f i c u l t t os i m u l a t ec o m b a t t r a i n i n g ,a n d i t i s d i f f i c u l t t o r a p i d l y i m p r o v e t h e t e c h n i c a l l e v e l a n d o p e r a t i o n a b i l i t y o f t h e u s e r s ．T h i s p a p e r d e s i g n s am i n i a t u r i z e d t r a i n i n g s i m u l a t o rm o u n t e do nm u l t i Ｇr o t o r u n m a n n e da e r i a l v e h i c l e (U A V )p l a t f o r m ,w h i c hc a nr e m o t e l y c o n t r o l st h er a d i of r e q u e n c y s i g n a l st r a n s m i s s i o nt os i m u l a t et h e t r a i n i n g t a r g e t s a t a n yp o s i t i o no r t r a j e c t o r y i n t h e s k y ,s oa s t os o l v e s t h ed i f f i c u l t y o f s i m u l a t i o n t r a i n i n g ．T h r o u g h t h e t e s t d a t a o f t h e p r o t o t y p e a n d t h e r e l a t i v e t e s t r e s u l t s ,t h e f e a s i b i l i t y o f t h e d e s i g n i s v e r i f i e d ,a n d t h e t e c h n i c a l l e v e l a n do p e r a t i o n a b i l i t y o f u s e r s c a nb e i m p r o v e d e f f e c t i v e l y ．K e y w o r d s :e l e c t r o n i cw a r f a r ee q u i p m e n t ;t r a i n i n g s i m u l a t o r ;m u l t i Ｇr o t o ru n m a n n e da e r i a l v e h i c l e ;t e c h n i c a l l e v e l 收稿日期:２０１９０５０７０一引一言电子战装备在战争中发挥着越来越重要的作 用,电子信息装备数量日趋庞大,运用复杂,种类繁 多[１],特别是雷达侦察设备的应用最为广泛[ ２].随着电子战装备的高频率使用,如何提高使用人员技 术能力二操作水平,保障电子战装备性能完好,充分 发挥装备的战斗力,是现下亟需解决的问题. 本文根据舰载电子战装备训练存在困难的情 况,提出基于多旋翼无人机平台的便携式空中模拟 训练器设计方案,可适用于舰载电子战装备的日常 训练二试验验证等,达到提升使用人员的技术水平二 充分发挥电子战装备战斗力的作用.１一需求分析１ １一电子战装备训练情况舰载电子战装备进行训练一是依靠装备本身设计进行自检判断设备工作状态是否正常,二是使用射频注入法测试来检验装备的接收机二信号处理系２０１９年６月 舰船电子对抗J u n ．２０１９第４２卷第３期S H I P B O A R DE L E C T R O N I CC O U N T E R M E A S U R E V o l ．４２N o ．３
四旋翼无人机前沿报告 近些年来，各国的许多研究机构都对小型四旋翼无人机进行了一系列的研究，下面列出来一些比较有代表性的四旋翼无人机研究成果。 一、国内外技术发展现状 1.“蜻蜓”无人机 近期，约翰-霍普金斯大学的应用物理实验室的一个研究小组就开发出了一个叫做“蜻蜓（Dragonfly）”的概念无人机任务。该任务提出了一款利用放射性同位素驱动的双四旋翼飞行器，它将可以在土星最大的卫星Titan上执行太空任务。蜻蜓项目首席研究员Elizabeth Turtle指出，这种实验是他们在实验室无法进行的，因为涉及到时间尺度问题，而Titan富含有有机分子和液态水的表面却能维持很长一段时间的时间尺度。该项目就是为了研究Titan生命前化学而设计的。由于Titan表层厚重的云层使得那里的太阳能效率并不高，为此，研究人员改用了多任务放射性同位素热电机（MMRTG）为飞行器提供能源。据了解，MMRTG能让这架双四旋翼无人机在白天持续飞行一个小时的时间，夜晚它将接受充电。蜻蜓无人机的空气流动可以让它收集样本和测量的种类获得增加。在时长1个小时的飞行中，飞行器大概能飞10到20公里。这意味着蜻蜓可以在为期两年的任务中探测到的范围非常广。 2.“OS4”四旋翼无人机 OS4是EPFL自动化系统实验室开发的一种小型四旋翼飞行器，研究的重点是自主飞行控制算法和机构设计方法，目标是要实现室内和室外环境中的完全自主飞行。目前，该项目以及进行了两个阶段。OS4I最大长度约为73CM，质量为235g，它使用了Draganflyer3的十字框架和旋翼，电机型号为Faulhaber1724,微惯性测量单元为Xsens的MT9-B。研究
四旋翼无人机毕业设计 目录 摘要 ............................................................................................. 错误！未定义书签。Abstract ................................................................................................ 错误！未定义书签。1绪论 .. (1) 1.1研究背景及意义 (1) 1.2 国内外四旋翼飞行器的研究现状 (1) 1.2.1国外四旋翼飞行器的研究现状 (1) 1.2.2国内四旋翼飞行器的研究现状 (3) 1.3 本文研究内容和方法 (4) 2 四旋翼飞行器工作原理 (5) 2.1 四旋翼飞行器的飞行原理 (5) 2.2 四旋翼飞行器系统结构 (5) 3 四旋翼飞行器硬件系统设计 (7) 3.1 微惯性组合系统传感器组成 (7) 3.1.1 MEMS陀螺仪传感器 (7) 3.1.2 MEMS加速度计传感器 (7) 3.1.3 三轴数字罗盘传感器 (8) 3.2 姿态测量系统传感器选型 (8) 3.3 电源系统设计 (10) 3.4 其它硬件模块 (10) 3.4.1 无线通信模块 (10) 3.4.2 电机和电机驱动模块 (11) 3.4.3 机架和螺旋桨的选型 (12) 3.4.4 遥控控制模块 (13) 4 四旋翼飞行器姿态参考系统设计 (15) 4.1 姿态参考系统原理 (15) 4.2 传感器信号处理 (16) 4.2.1 加速度传感器信号处理 (16) 4.2.2 陀螺仪信号处理 (16) 4.2.3 电子罗盘信号处理 (17) 4.3 坐标系 (17) 4.4 姿态角定义 (18) 4.5 四元数姿态解算算法 (19) 4.6 校准载体航向角 (27) 5 四旋翼飞行器系统软件设计 (29) 5.1 系统程序设计 (29) 5.1.1 姿态参考系统软件设计 (29) 5.1.2 PID控制算法设计 (30)
四旋翼无人机建模及其PID控制律设计 时间：2012-10-27 来源：现代电子技术作者：吴成富，刘小齐，袁旭 关键字：PID无人机建模 摘要：文中对四旋翼无人机进行建模与控制。在建模时采用机理建模和实验测试相结合的方法，尤其是对电机和螺旋桨进行了详细的建模。首先对所建的模型应用PID进行了姿态角的控制。在此基础上又对各个方向上的速度进行了PlD 控制。然后在四旋翼飞机重心进行偏移的情况下进行PID控制，仿真结果表明PID控制律能有效的控制四旋翼无人机在重心偏移情况下的姿态角和速度。最后为了方便控制加入了控制逻辑。 关键词：四旋翼；建模；PID；控制；重心偏移；控制逻辑 四旋翼无人机是一种具有4个旋翼的飞行器，有X型分布和十字型分布2种。文中采用的是X型分布的四旋翼，四旋翼无人机只能通过改变旋翼的转速来实现各种运动。国外对四旋翼无人直升机的研究非常活跃。加拿大雷克海德大学的Tavebi和McGilvrav证明了使用四旋翼设计可以实现稳定的飞行。澳大利亚卧龙岗大学的McKerrow对Dragantlyer进行了精确的建模。目前国外四旋翼无人直升机的研究工作主要集中在以下3个方面：基于惯导的自主飞行、基于视觉的自主飞行和自主飞行器系统。而国内对四旋翼的研究主要有：西北工业大学、国防科技大学、南京航天航空大学、中国空空导弹研究院第27所、吉林大学、北京科技大学和哈工大等。大多数的研究方式是理论分析和计算机仿真，提出了很多控制算法。例如，针对无人机模型的不确定性和非线性设计的 DI／QFT(动态逆／定量反馈理论)控制器，国防科技大学提出的自抗扰控制器可以对小型四旋翼直升机实现姿态增稳控制，还有一些经典的方法比如PID控制等，但是都不能很好地控制四旋翼速度较大的情况。本文对四旋翼无人机设计了另外一种不同的控制方法即四旋翼的四元数控制律设计，仿真结果表明这种控制方法是一种有效的方法。尤其是对飞机的飞行速度较大的情况，其能稳定地控制四旋翼达到预期的效果。 1 四旋翼的模型 文中所研究的四旋翼结构属于X型分布，即螺旋桨M1和M4与M2和M3关于X轴对称，螺旋桨M1和M2与M3和M4关于Y轴对称，如图1所示。对于四旋翼的模型本文主要根据四旋翼的物理机理进行物理建模，并做以下2条假设。
四旋翼无人机带机械臂的设计与研究 发表时间：2018-06-06T15:23:16.953Z 来源：《科技新时代》2018年3期作者：鲍佳松[导读] 摘要：四旋翼无人机已经进入了众多的应用领域，在国家建设以及工程中扮演着越来越重要的角色。目前研究四旋翼无人机姿态及机身设计的文章较多，但是很少有带机械手臂的无人机。因此，本文采用了以往常见的无人机模型，摘要：四旋翼无人机已经进入了众多的应用领域，在国家建设以及工程中扮演着越来越重要的角色。目前研究四旋翼无人机姿态及机身设计的文章较多，但是很少有带机械手臂的无人机。因此，本文采用了以往常见的无人机模型，设计出机械手臂，既能保证无人机飞行过程的平稳性，而且保证抓取东西的快速、准确性。本文不仅设计了无人机的整体形态，而且选择了适合无人机飞行的硬件设施，为工程 应用打下了基础。 关键字：四旋翼飞行器；机械手臂；抓取；硬件设施 一、前言 目前，国内外研究无人机的人员越来越多，先进的无人机也层出不穷。但是大多数研究者只是关注于飞行姿态、飞行稳定性，而带有机械手的无人机则研究较少。在近年来，无人机不管是在飞行姿态、操纵系统、稳定性设计等都有长足发展，但是带有机械手的无人机动态操作等问题还比较突出。 在设计研究当中，无人机加上先进的操纵手臂之后，不仅改变了飞行器的整体重量，而且对于飞行中的控制提出了较大问题。在无人机飞行过程中，抓取动作的准确性、稳定性是考虑的重要问题。比如说，无人机在告诉的飞行中，对于其飞行速度与飞行的时间要求比较高，这就要要求无人机能够快速、及时地抓住物体，而且有时还需要对目标进行监视，这样就会避免因为噪音而引起的注意。除此之外，无人机动态抓握功能可以扩展到实时栖息，这可以用来快速地躲避大风、通过减少悬停时间来提高续航时间。 华北电力大学张虎[1]等在众多无人机研究的基础上，利用四旋翼飞行器作为基本结构，进行改进与创新，研究了一种飞滑式输电线巡检机器人，这种无人机结合了现有的四旋翼飞行器与巡线机器人优点的具有飞行与线上滑行巡检功能的机器人。Justin Thomas团队[2]在多年观察仿生机械的基础上设计研究了一种采用被动机制的机械手爪，这种手爪在抓取中能够不受外界环境的干扰，同时在垂直起飞和着陆系统中启用被动栖息的设计上采用了优化分析；Courtney E. Doyle团队[3]在多年针对放生机械研究的基础上，在无人机上加入了受到控制的附属物，使其能够高速地锁定对象并进行抓取。 本文以无人机整体设计为核心，分别对无人机的控制系统、工作原理及控制做出介绍，合理选择适合无人机的硬件，对工程应用具有较大的指导价值。 二、无人机总体设计 1.无人机控制系统组成 在整个的无人机系统当中，系统通过无线电与地面实现通信。在四旋翼无人机下方设置机械手，通过舵机控制其运动[4-6]。操作人员可以在地面输入指令，进而控制飞行器的飞行状态。同时，控制器还可以控制机械手的动作，实现抓举、松开等动作 2.无人机飞行器工作原理 四旋翼飞行器由四个螺旋桨驱动，螺旋桨分别有独立电机带动。在控制系统当中，旋转的力矩与平移动作实现了耦合。如果排除外界扰动，旋翼就能够产生与重力相等的升力，飞行器便处于悬停状态[7]。同时另外一组螺旋桨一个速度增大，一个速度减小就会产生俯仰和滚动的姿态；两组螺旋桨阻力矩的差异产生偏航姿态。 3.机械手控制 机械手的控制是此次设计的关键。手爪的设计要顾及到飞行器的相对移动速度，这样就能够获得相应的载荷；同时要考虑到其栖息能力，适应不同的环境，能够在广泛的区域停留。 4.无人机整体效果图
md4-1000型四旋翼无人机系统介绍 一、系统组成 “md4”系列四旋翼无人机系统由五个主要部分组成：飞行器、数字遥控器、地面站系统、机载任务设备和附属设备。 飞行器是无人机系统的主体，根据指令完成飞行任务。 数字遥控器用于对飞行器的实时操作，可以实时监控飞行器的各项状态指标。 地面站系统主要由笔记本电脑和微波信号传输系统构成，可以通过微波，实时接收飞行器上机载设备拍摄的实时影像，以及实时监控飞行的各项状态指标。 机载任务设备根据客户需要，可选配不同类型的酬载设备，如数码相机、高清摄像机、微光摄像机、红外摄像机等，完成不同的拍摄任务。 附属设备包括电池、充电箱、数据线等系统配件。 飞行器
数字遥控器 一体化地面站
机载任务设备 附属设备
二、系统技术参数
三、系统特性 1、可以定点悬停，稳定地拍摄感兴趣区域地物； 2、可以根据GPS信号，按照线路规划自主航行；没有GPS信号时也可以进行飞行，甚 至在室内飞行； 3、具有高性能平衡云台，可以在大风中依然保证酬载设备得到稳定的目标影像； 4、可以搭载高清摄影机、高画质的相机等设备，并可以进行自由调焦，以得到目标部 位最清晰的影像； 5、数传系统抗干扰性强，可以在距离电力线设备最近3m位置拍摄而信号不受干扰； 6、工业性能好，可以在强风、大雨的情况下正常起飞、作业，在紧急情况下也可以完 成任务； 7、操作简单，熟练的话，一个人即可进行操作；新手的话，两个人配合即可进行操作； 8、具备电量安全提示，当电量低于额定值时报警，当电量低于最低电压时即便人不在 现场也可以自动执行降落操作，保证无人机系统的安全； 9、采用微波作为数传系统，地面端可以实时得到高清影像； 10、具有电子围栏功能，具备位置记忆功能，可以在无操作的情况下，自动回到原来 的位置悬停拍摄； 11、对起飞场地没有要求，3×3m的场地即可实现垂直起降； 12、电机具有优良的散热性能，可以在每次飞行结束后更换电池进行再次飞行，达到 全天作业的目的；
1、互补滤波算法 互补滤波器作为一种频域滤波器，常用于融合来自不同传感器测量得到的数据。一般地，互补滤波器包含至少两种频率特性互补的输入信号。例如，对于陀螺仪和加速度计解算姿态这一双输入系统，两个输入量都能分别对姿态角进行解算，其中加速度计输入量包含高频，应通过低通滤波器来滤除；陀螺仪则包含低频噪声（积分漂移），应采用高频滤波器滤队。两者的频率特性互补，可用互补滤波思想进行姿态解算，最终输出较准确信号。 2、四元数表示姿态角 运用互补滤波与卡尔曼滤波思想进行姿态整合的过程归根结底都是利用加速度计解算出的姿态角去修正陀螺仪积分的漂移误差. 这两种方法在姿态融合过程中姿态角的表示形式都是欧拉角表示.但是用欧拉角进行姿态解算在大角度计算时会出现万向节锁(角度为90度时加速度计进行姿态解算的反三解函数无解),为了避免该问题,可采用四元数来解算姿态. 四元数的优点： ·四元数不会存在欧拉角的万向节死锁的问题 ·四元数由4个数组成2个四元数之间更容易插值 ·对四元数规范化正交化计算更加容易 3、MPU6050 DMP内部四元数解算功能 运动控制传感器MPU6050提供了DMP内部四元数解算功能，可以直接输出四元数数据。它除了提供三轴陀螺仪和三轴加速度计传感器的16位ADC信号采集功能之外，还集成了数字低通滤波器和数字运动处理DMP，可以直接输出经低通滤波处理和四元数姿态解算后的四元数数据。将该四元数转换为欧拉角，可以得到准确的俯仰角和橫滚角。 4、PID 控制
由自动控制原理可知，采用角速度反馈闭环控制可有效增加系统稳定性，因此，在进行状态角控制之前需设计姿态角速度增稳内环控制。同时，系统最终控制量为空间位置，因此需要增加外环位置控制。由此得到四轴飞行器俯仰角方向整体控制结构： 4.1、PID 控制 比例控制指的是使用一个比例系数对输入量与期望量的差进行放大或缩小。不过单纯的比例控制会产生静态误差（误差不会收敛于0），所以这时要加入积分控制，对误差进行积分再乘以积分系数，误差累计越大积分控制的比重越大。其优点是可以消除静态误差；其缺点是不稳定，会使系统产生振荡。微分控制是预测系统的变化趋势。当输入的数据缓慢变化时微分项不起作用，当产生一个阶跃响应瞬间发生变化时，微分项发挥作用，做“超前控制”。 4.2串级PID 当将两个PID串联起来,用第一个PID的输出量作为第二个PID的输入量,第一个PID的期望量为期望达到的角度,第二个PID的期望量为此时该轴的角速度,角度环为1级PID为外环,角速度环为2级PID为内环 串级PID较单级PID的优点是,作为内环的角速度由陀螺仪采集数据输出,采集值一般不存在受外界影响的情况,抗干扰能力强,并且角速度变化灵敏,当受外界干扰时,回复迅速,这样使四轴在飞行时抗干扰能力强,飞行更稳定. 4.3PID调试过程详解--P64
毕业设计(论文)开题报告
题目：基于 STM32 的微型四旋翼无人机控制系统设计—软件设计
院 （系） 专 班 姓 学 导
电子信息工程学院
业电气工程及其自动化 级 名 号 师
2017 年 3 月 9 日
1. 毕业设计（论文）综述（题目背景、国内外相关研究情况及研究意义） 1.1 题目背景 微型无人机飞行器（MUAV，Mirco Unmanned Aerial Vehicle）是一种内置 控制系统，可以远程操控实现自主飞行的设备。其类型包括固定翼微型飞行器、 仿生扑翼微型飞行器及旋翼式微型飞行器。由于它具有隐蔽性强，低成本、低损 耗、零伤亡、高机动性等优点，使其迅速从军事领域拓宽到农业、民用和科研等 领域。在军事领域，因为具有零伤亡，战场生存能力强等特点，非常适合执行高 危险和人类无法参与的任务。在民用上，他也可以代替载人机完成一些任务，比 如救援搜索，灾情勘探，气象监测等。 MUAV 飞行性能主要包括，起飞着陆性能，姿态变换性能。而这些性能的优劣 取决于核心部件--飞行控制系统。随着数字处理器处理速度和能力的不断提高， 设计先进的控制系统已经是大势所趋。先进的飞行控制系统使微型无人机能在没 有外界干预的情况下自主飞行，完成预先规定的任务。由于微型无人机身有限的 负载能力和体积限制， 现在的一些导航系统和飞行控制系统很难直接在微型无人 机上使用，所以对微型无人机的飞行控制系统的研究意义重大！ 1.2 国内外相关研究情况 国外对于四旋翼的研究非常的活跃，加拿大的雷克海德大学里面的相关研究 人员很早就证明了采用四旋翼设计思路能够实现飞行器的稳定飞行，澳大利亚的 卧龙岗大学相关研究人员已经对四旋翼有了精确的模型建立。各国研究人员也 以此引发了一个四旋翼的研究热潮。下面对部分研究机构所设计的四旋翼做一个 介绍 1）Microdrones MD4-1000 四旋翼无人飞行
MD4-1000 四旋翼无人机是由德国 MICRODRONES 公司生产， 可垂直起降自动驾 驶。机体云台都是采用特殊的碳纤维材料，机身重量轻、强度高，机臂可折叠， 方便运输。姿态、高度以及航向参考系统集成了加速度计、陀螺仪、电子罗盘、 气压高度计、温度计、湿度计等高精度传感器，相比 MD4-200，它的任务载荷大， 抗风能力强，续航时间更长，姿态控制更加稳定。
小型四旋翼无人机组机 方案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
一、小型四旋翼无人机总体架构 典型的小型四旋翼无人机，一般由机械部分（机架），动力部分（包括电机、电子调速器、电调连接板、桨叶、电池），电子部分（包括飞控板、通信模块、遥控器接收机、PPM编码板）组成。 （一）机械部分 机架 考虑到编队飞行对实验室空间的要求，希望机架能够尽量的小。根据与蔡国伟老师对电机与桨叶（后文提到）的搭配进行讨论后，决定将机架的大小设定为轴距255mm，边距180mm（由6寸桨的大小决定）。 1，底板 2，中间机架板 3，顶板 整个机体由底板、中间机架板、顶板连接而成（通过尼龙螺柱和螺丝）；底板安置电池、xbee模块、遥控器接收机、电调连接板，中间机架板安置4个电调、pixhawk飞控板，顶板用于安置定位系统标记点（同时起到保护、隐藏pixhawk飞控板及走线的作用）；为便于安装，所有开孔、镂空均根据拟选器件匹配设计；拟采用碳2mm厚3K纤维板加工。 另设计四个保护罩如下（可用于避免桨叶受损或伤人）：
4，保护罩 （二）动力部分 （1）电机 一般而言，小型四旋翼无人机（轴距250mm左右）选用KV2000左右（配5-6寸桨）的电机。经过对比讨论后，拟选用飓风D2206 KV1900无刷直流电机（配6寸桨）。之所以选用这款电机是因为这款电机能够提供较大的拉力，同时该电机的工作电流处在一个比较小的区间，单个电机重量仅为。
飓风D2206 KV1900参数表 飓风D2206 KV1900实物图 （2）电子调速器 电子调速器用于驱动无刷直流电机，比较重要的参数是工作电流，刷新频率，重量。一般而言，市面上可售的大部分电子调速器的刷新频率都大于 400hz，符合要求。根据上文所选电机的工作电流，综合考虑重量要求，与蔡国伟老师沟通后，拟选用好盈XRotor-10A电子调速器。
（ 二 〇 一 年 六 月 本科毕业设计说明书 题 目：四旋翼飞行器无刷直流调速系统设计 学生姓名： 学 院：机械学院 系 别： 专 业： 班 级： 指导教师： 讲师
摘要 最近这些年来，四轴飞行机在国家建设中发挥了越来越重要的作用。所以对于四轴飞行机的学习与设计有着至关重要的作用。 四轴飞行机它的硬件这部分选取了STC15W4K48S4型号的单片机作为其控制的芯片，它的保密性能很强，而且具有很强的抵抗干扰的能力，并且其能耗较低，下载程序是经由串行口下载，方便快捷，其本身内部的储存器更方便程序的暂存。采用MPU6050做陀螺仪加速度计，MPU6050陀螺仪测量范围宽，测量精度高，做四轴飞行机的陀螺仪是再好不过的选择。采用NRF24L01蓝牙2.4GHZ 直插模块，本次选取的蓝牙模块功耗低，通信能力强。 在研究四旋翼无人飞行器的结构与原理的设计中，我们通过牛顿力学还有刚体力学的结论这两个理论才建立了四旋翼无人飞行器它的数学模型，这样得设计就能够很有效的提升系统的性能。 在通过四旋翼无人机的姿态的解算中，通过PID算法，解算欧拉角与四元素的数据，从而使飞行器飞行更加平稳，也可对其轨道进行规划，这样便可以实现自主飞行，而PID算法的可靠性与稳定性强。 本次设计我们通过编写代码设计PID算法来实现对四旋翼无人飞行器软件的控制，从而可以实现各模块间的相互分工与合作。 关键字：四旋翼无人飞行器；硬件设计；PID；欧拉角；飞行姿态
Abstract The four rotor unmanned aerial vehicle (UA Vs) has been playing an increasingly important role in national construction in recent years. The design and research of the four rotor unmanned aerial vehicle (UA V) is of great significance. The four rotor UA V hardware using STC15W4K48S4 microcontroller as the control chip, the strong confidentiality, and strong anti-interference ability, low power consumption, through the serial port to download the program, convenient storage, its internal procedures more convenient storage. Using MPU6050 as gyro accelerometer, MPU6050 gyroscope wide measurement range, high measurement accuracy, as the four rotor aircraft gyroscope is no better choice. Using NRF24L01 Bluetooth 2.4GHZ inline module, the selected Bluetooth module has low power consumption and strong communication ability. In the study of the structure and principle of the four rotor unmanned aerial vehicle (UA V), the mathematical model of the four rotor unmanned aerial vehicle (UA V) is established by using Newton mechanics and rigid body mechanics theory, so as to improve the reliability and stability of the system. In the four rotor UA V attitude algorithm, using PID algorithm, so as to make the aircraft more smoothly, but also the planning of its orbit, so that we can achieve autonomous flight, and the reliability and stability of the PID algorithm is strong. The design of the four rotor UA V software control, through the preparation of C language code to control each module, to achieve cooperation between the modules. Key words:four rotor unmanned aerial vehicle; hardware design; PID; Euler angle; flight attitude
一、小型四旋翼无人机总体架构 典型的小型四旋翼无人机，一般由机械部分（机架），动力部分（包括电机、电子调速器、电调连接板、桨叶、电池），电子部分（包括飞控板、通信模块、遥控器接收机、PPM编码板）组成。 （一）机械部分 机架 考虑到编队飞行对实验室空间的要求，希望机架能够尽量的小。根据与蔡国伟老师对电机与桨叶（后文提到）的搭配进行讨论后，决定将机架的大小设定为轴距255mm，边距180mm（由6寸桨的大小决定）。 1，底板 2，中间机架板 3，顶板 整个机体由底板、中间机架板、顶板连接而成（通过尼龙螺柱和螺丝）；底板安置电池、xbee模块、遥控器接收机、电调连接板，中间机架板安置4个电调、pixhawk飞控板，顶板用于安置定位系统标记点（同时起到保护、隐藏pixhawk 飞控板及走线的作用）；为便于安装，所有开孔、镂空均根据拟选器件匹配设计；拟采用碳2mm厚3K纤维板加工。 另设计四个保护罩如下（可用于避免桨叶受损或伤人）：
4，保护罩 （二）动力部分 （1）电机 一般而言，小型四旋翼无人机（轴距250mm左右）选用KV2000左右（配5-6寸桨）的电机。经过对比讨论后，拟选用飓风D2206 KV1900无刷直流电机（配6寸桨）。之所以选用这款电机是因为这款电机能够提供较大的拉力，同时该电机的工作电流处在一个比较小的区间，单个电机重量仅为27.5g。
飓风D2206 KV1900参数表 飓风D2206 KV1900实物图 （2）电子调速器 电子调速器用于驱动无刷直流电机，比较重要的参数是工作电流，刷新频率，重量。一般而言，市面上可售的大部分电子调速器的刷新频率都大于400hz，符合要求。根据上文所选电机的工作电流，综合考虑重量要求，与蔡国伟老师沟通后，拟选用好盈XRotor-10A电子调速器。
术语： 无人机UAV (Unmanned Aerial Vehicle), drone UAS (Unmanned Aerial Systems) 地面控制站Ground Control Station, GCS 固定翼fixed-wing 旋翼rotary-wing Rover 陆路，水路 多旋翼multirotors, multicopters 四旋翼4-rotor helicopters, quadcopter 加速计accelerometer 陀螺仪gyroscope 磁力计magnetometer 压力计barometer 射频控制R/C 遥测telemetry altitude GPS WAAS: Wide Area Augmentation System Thermopile: infrared detector, tilt, pitch, earth, sky, pan & tilt 侧视，俯视 roll pitch yaw autopilot 自主导航 takeoff & landing 起飞/着陆 MAV
MAVLink APM AI 意念控制Mind Control BCI 涡流，湍流Turbulence Navier-Stokes equations 定点waypoints DCM (Direction Cosine Matrix) COA (Certificate of Authorization) 2.4 Ghz, 72 Mhz, Kalman Filter: INS: Inertial Navigation System Inner loop / Outer loop FPV (First-Person View) 第一视角 FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum) DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum) ROI POI PID WAAS ILS LAAS (Next-Gen GPS algorithm standard) PIC (Pilot In Command) LOS (Line of Sight) RTL (Return to Launch) 返航, Return to Home