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
- I -
四旋翼无人机设计与制作
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
- II -
四旋翼无人机设计与制作
目 录
摘 要 ................................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................................. II 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
结论 ..................................................................................................................................... 32 参 考 文 献 ....................................................................................................................... 33
- III -
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[1]，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[2]，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行任务[3]。
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[4]，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，
–1–