毕业论文
基于单片机的四轴飞行器
夏 纯
吉 林 建 筑 大 学
2015年6月
毕业论文
基于单片机的四轴飞行器
学 生： 夏 纯 指 导 教 师： 许 亮 专 业： 电子信息工程
所 在 单 位： 电气与电子信息工程学院 答 辩 日 期： 2015 年6月
目 录
摘 要 ................................................................................................................................ I ABSTRACT .................................................................................................................... II 第1章 绪论 .................................................................................................................... 1
1.1 论文研究背景及意义 ....................................................................................... 1 1.2 国内外的发展情况 ........................................................................................... 2 1.3 本文主要研究内容 ........................................................................................... 4 第2章 总体方案设计 .................................................................................................... 5
2.1 总体设计原理 ................................................................................................... 5 2.2 总体设计方案 ................................................................................................... 5
2.2.1 系统硬件电路设计方案 ........................................................................ 5 2.2.2 各部分功能作用 .................................................................................... 6 2.2.3 系统软件设计方案 ................................................................................ 7
第3章 系统硬件电路设计 ............................................................................................ 8
3.1 Altium Designer Summer 09简介 ..................................................................... 8 3.2 总体电路设计 ................................................................................................... 8
3.2.1 遥控器总体电路设计 ............................................................................ 8 3.2.2 飞行器总体电路设计 .......................................................................... 10 3.3 各部分电路设计 ............................................................................................. 10
3.3.1 电源电路设计 ...................................................................................... 10 3.3.2 主控单元电路设计 .............................................................................. 12 3.3.3 无线通信模块电路设计 ...................................................................... 13 3.3.4 惯性测量单元电路设计 ...................................................................... 16 3.3.5 电机驱动电路设计 .............................................................................. 18 3.3.6 串口调试电路设计 .............................................................................. 19 3.4 PCB设计.......................................................................................................... 21
3.4.1 PCB设计技巧规则............................................................................... 21 3.4.2 PCB设计步骤....................................................................................... 22
3.4.3 PCB外形设计....................................................................................... 23 3.5 实物介绍 ......................................................................................................... 25 第4章 系统软件设计 .................................................................................................. 27
4.1 Keil MDK5.12简介 ......................................................................................... 27
4.1.1 Keil MDK概述 ..................................................................................... 27 4.1.1 Keil MDK功能特点 ............................................................................. 27 4.2 软件设计框图 ................................................................................................. 28 4.3 软件调试仿真 ................................................................................................. 29 4.4 飞控软件设计 ................................................................................................. 30
4.4.1 MPU6050数据读取 ............................................................................. 30 4.4.2 姿态计算IMU ..................................................................................... 32 4.4.3 PID电机控制 ........................................................................................ 32
结 论 .............................................................................................................................. 36 致 谢 .............................................................................................................................. 38 参考文献 ........................................................................................................................ 39 附录1 遥控器主程序源代码 ....................................................................................... 40 附录2 飞行器主程序源代码 ....................................................................................... 45 附录3 遥控器原理图 ................................................................................................... 50 附录4 飞行器原理图 ................................................................................................... 51
摘 要
四轴飞行器具备 VTOL(Vertical Take-Off and Landing，垂直起降)飞行器的所有优点，又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点，具有广阔的应用前景。可应用于军事上的地面战场侦察和监视，获取不易获取的情报。能够执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。工业上可以用在安全巡检，大型化工现场、高压输电线、水坝、大桥和地震后山区等人工不容易到达空间进行。
本设计主要包括遥控器和飞行器两大部分，其中央处理器CPU均采用基于32位ARM Corex-M3内核的NXP LPC1549，时钟频率为72MHz；飞行器与遥控器之间的无线通信采用2.4GHz通信频段的NRF24L01模块，NRF24L01模块与MCU之间通过SPI协议以1MHz的通信速率通信；飞行器端搭载有3轴加速度计与三轴陀螺仪融合一体的MPU6050惯性测量单元作为姿态欧拉角测量单元，MPU6050与飞行器MCU之间通过I2C协议以400Hz的频率进行通信；飞行器端MCU通过接收无线数据以及采集MPU6050数据通过四元数互补滤波计算出的欧拉角，再进行电机PID自动控制，最终以20KHz的PWM通过MOS管来驱动空心杯820直流有刷电机，得以实现遥控四轴飞行器的设计。
关键词 四轴飞行器；PID自动控制；MPU6050；PWM
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