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1、本科毕业设计（论文）( 2012 届 )题 目：四旋翼飞行器遥控发射接收系统设计 分 院:信息工程分院专 业:电气工程及其自动化班 级:12电气本1姓 名:赵浩锋学 号:12303653144指导老师:孙跃完成时间:2016年3月温州大学城市学院本科毕业设计（论文）温州大学城市学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得温州大学城市学院或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标
2、明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权温州大学城市学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：日期： 年 月 日导师签名：日期： 年 月 日摘要：四旋翼飞行器以其结构新颖、机动性强、性能卓越等特点，使其在军事、民用及科技领域都有很强的研究和
3、应用价值。由于它用四个螺旋桨进行飞行，因此它的飞行姿态保持能力比单旋翼飞行器更强，升降所需要的空间也较小，且其在障碍物较多的情况下仍具有很强的操纵性。根据这些特点四旋翼飞行器比单旋翼飞行器更适合在室内、街道、森林等复杂环境下的进行拍摄和救灾工作。本文以STM32处理器为核心；无线数据通讯模块采用的是NRF21L01模块实现。经过试验，飞行器能够准确接收到来自地面的控制指令并完成相应的飞行任务，实现垂直起降、悬停等飞行姿态。关键词：四旋翼飞行器；无线通信；微控制器 Abstract：Four-rotor aircraft for its novel structure, high mobilit
4、y, high performance features, making the military, civilian and scientific and technological fields have a strong research and application. Because it uses four propellers flight, flight attitude so that the ability to maintain greater than single-rotor, the space required for the lift is small, and
5、 it still has a strong maneuverability in case more obstacle. According to these characteristics four-rotor aircraft more suitable than single-rotor aircraft shooting and relief work in the interior, streets, forests and other complex environments.In this paper, core processor is used STM32; wireles
6、s data communication module is used NRF21L01 modules. After testing, the aircraft can accurately control commands received from the ground and complete the mission, achieve vertical takeoff and landing, hovering and other flying attitude.Key Words：Four-rotor aircraft; Wireless communication; Microco
7、ntroller 30 目 录摘要IIAbstractIII一、绪论1（一）课题研究的目的和意义1（二）国内外发展及研究现状11.国内四旋翼飞行器的研究12. 国外四旋翼飞行器的研究1二、总体方案设计3（一）总体设计原理3（二）总体设计方案31.系统硬件电路设计方案32.各部分功能作用33.系统软件设计方案4三、硬件电路设计52.无线通信模块电路设计63.实物介绍9四、系统软件设计11（一）Keil MDK5.12简介111Keil MDK概述112. Keil MDK功能特点11（二）软件设计框图11结论13致 谢14参考文献15附录16一、绪论本章主要介绍了关于四旋翼飞行器研究的背景和意义
8、，和国内外高校以及研究机构对四旋翼飞行器研究的现状。本章主要由课题研究的目的和意义，国内外四旋翼飞行器的研究和论文的主要研究内容等几个部分组成。（一）课题研究的目的和意义随着微电子、微导航、微机电技术的广泛运用，无人机技术很快就在全世界范围内掀起了研究热潮，并得到了快速且长足的发展。相对于其他无人机而言，四旋翼飞行器的结构较为简单，成本也相对较低，方便维修和护理。除此之外，四旋翼飞行器还具有体积小、重量轻、控制灵活方便、可垂直起降、悬停等特点，不论是在军事领域或是民用领域都得到了非常广泛的运用。（二）国内外发展及研究现状1.国内四旋翼飞行器的研究目前，我国的一些高校和科研机构在四旋翼飞行器的研
9、究上也取得了长足的发展。比如国防科技大学，哈尔滨工业大学和南京航空航天大学等。国防科技大学早就在2004年开始研究微小型飞行器的相关技术，是我国最早一批开展对四旋翼飞行器研究的高校之一，他们使用了自抗扰控制器（ADRC）算法以及反步法这两种方法来对四旋翼飞行器的控制系统进行设计。在接下来的几年里，南京航空航天大学、南京理工大学等等高校也进行了对四旋翼飞行器的理论分析和计算机仿真，并都制作了属于自己的四旋翼飞行器。同时，四旋翼飞行器在商业上的应用也越来越广泛，在2013年9月3日，顺丰就在广东东莞松山湖区域进行了无人机送货内测。顺丰自主研发了该无人机的内置导航系统，该飞行器飞行高度约为100米，
10、落点误差基本上能够控制在方圆两米以内，同时可以对路线和目的地来进行预先设定。如果测试可行，就可以大量减少人力成本。除此以外，越来越多的四旋翼飞行器以一种娱乐设备的形式出现在大众的视线里。通常这种四旋翼飞行器都携带着摄像头，用户可以通过手持设备来对飞行器进行控制，以此来给用户带来乐趣。2. 国外四旋翼飞行器的研究国外四旋翼飞行器的发展非常迅速，因为他们在这一领域已经拥有了非常悠久的历史，同时还有着深厚底蕴的研发团队。四旋翼飞行器在多旋翼无人飞行器中是较为常见的一种类型,其对硬件平台的要求较高,相应的难度也较大。国外有很多高校和科研机构都做出了一定的成果，有进行室外研究和室内研究的，其中进行室外研
11、究的有美国斯坦福大学，日本千叶大学以及美国奥克兰大学和法国贡比涅技术大学等。进行室内的有美国麻省理工大学，美国宾夕法尼亚大学和瑞士联邦技术机构等。除了高校和科研单位，国外的一些商业公司也加入到对四旋翼飞行器的研究行列，如美国的Draganfly公司和德国的Microdrone GbmH公司等。近年来，国外研发了很多高性能的飞行器。在欧美发达国家四旋翼飞行器已经在军事和商业领域都取得了非常显著的成就。其中比较具有代表性的就是Draganflyer X4、Parrot AR.Drone Quadricopter。Draganflyer X4是美国Draganfly Innovations Inc研
12、发的遥控飞机。如图1.1所示。该飞行器具有良好的可靠性和稳定性，并且它还具有悬浮功能，对于拍摄有很大的帮助。当控制器失控时，它甚至可以实现自动着陆，从而保证飞行器和摄像设备的安全。图1. 1 二、总体方案设计（一）总体设计原理本次设计硬件主要为遥控器部分，处理器采用32位基于Cortex-M3内核的STM32F103芯片，遥控器和飞行器之间的数据通信采用的是2.4G民用无线通信频段的NRF24L01模块。遥控器外型类似与游戏手柄。遥控器通过采集蘑菇头摇杆电位器ADC电压值以及按键状态发送给飞行器。（二）总体设计方案1.系统硬件电路设计方案本次设计采用IAP15W4K58S4微控制器作为MCU，
13、并且均采用3.7V充电电池作为电源为系统供电，电池通过CAT2829芯片稳压到3.3V为MCU以及外设供电。遥控器端的主要硬件部分包括最小系统、无线NRF24L01模块、程序下载、ADC采集、蜂鸣器、LED指示灯以及串口调试，飞行器端硬件主要部分有最小系统、程序下载，无线NRF24L01模块、电机驱动、惯性测量单元MPU6050以及LED驱动电路，其系统总体框图如下所示。NRF24L01无线模块NRF24L01无线模块串口调试程序下载串口调试程序下载电池电量监控电源状态显示LED按钮蜂鸣器电源电机驱动复位惯性测量单元遥控器MCU摇杆控制状态显示LED遥控器MCU-2.各部分功能作用（1）MCU
14、控制中心MCU是飞行器以及遥控器的控制中心，是它们的大脑，主要功能是采集数据和处理数据并做出指示。本次设计采用的是32位的基于ARM Cortex-3为内核的STM32F103作为中央处理器。（2）通信模块通信模块在整个系统中起着信号交流的作用，遥控器通过MCU读取的按键信息以及油门方向值发送到飞行器端，飞行器端接收到之后做出相应的动作。本次设计主要采用NRF24L01无线通信模块，选择该模块的原因是因其通信协议简单、传输距离相对较远、价格低廉等优点。（3）LED状态指示在硬件电路设计中，LED首先必须要有电源指示灯，从而判断系统是否上电。同时还需要有信号指示灯，指示遥控器和飞行器是否通信，最后就是状态显示LED灯显示飞行器状态等等。3.系统软件设计方案本次设计软件部分包括遥控器程序以及飞行器的接收程序设计。遥控器程序设计主要包括有无线NRF24L01发送、ADC电压采集之后的处理、读取按键状态和LED灯指示等，涉及的软件包括SPI通信协议、ADC数模转换、I/O口驱动等。飞行器端程序涉及部分主要包括NRF24L01接收、LED状态灯等。 三、硬件电路设计（一）遥控器的硬件设计如图3.1所示，遥控器主要由处理器、无线收发模块和4路摇杆器三部分组成。主处理器及其最小系统的电路和飞行器的电路相同。主要利用处理器片内的AD转换器采集
