四旋翼无人机设计与制作
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
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1.2.2国内四旋翼飞行器的研究现状
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。
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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。
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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[5]。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。
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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[6]。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
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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。
无线模块地面站遥控接收器遥控器SPI三轴加速度计和三轴陀螺仪TIMER电子调速器PWM输出IICSTM32f103USART无刷电机三轴数字罗盘GPS超声波传感器USART电源模块电源系统
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[7]。
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[8]，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。
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