《基于单片机微型四旋翼飞行器设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机微型四旋翼飞行器设计（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、-摘要 本文对微型四旋翼飞行器自平衡算法进行研究，详细分析了应用互补滤波器，进行信号处理的思路和参数整定过程，应用滤波后的数据，进行飞行器姿态角度融合，解算出飞行器实时的俯仰角、翻滚角、偏航角。在解算出飞行姿态角度的基础上应用PID算法控制四旋翼飞行器进行自平衡悬停及相关的运动姿态控制。硬件上，采用STM32F103作为微控制器，以MPU6050作为四旋翼飞行器姿态传感器件，通过AO3402MOS管驱动四个空心杯电机改变飞行器姿态，设计结果是能准确测量飞行器姿态并将测量角度输出给相应坐标的电机，进行姿态调整。本文将从硬件、软件初始化、控制算法及调试等几个篇幅详细展示整个微型四旋翼飞行器的制作过
2、程。关键词 微型四旋翼飞行器；互补滤波算法；PD控制算法；STM32F103;自平衡Abstract: This paper is a research about algorithm of Quadrotor Micro-aircraft Self-balancing. It will detailed analysis the idea about using Complementary filter deal with the digital signals and how to set the paramerers. Using the data after filtering for
3、 fusing of Quadrotor attitude Angle and calculating the Quadrotor Micro-aircraft Pitch angle, Roll angle and Yaw angle. On the basis of flying-Angle using PID algorithm controlling Quadrotor Micro-aircraft achieves the self-balancing hovering and relating motion control. Hardware uses STM32F103 as m
4、icro controller, with MPU6050 as attitude sensor of Quadrotor Micro-aircraft, through AO3402MOS tube driving four hollow cup motor to change the spacecraft attitude. The design result can accurately measure spacecraft attitude and output the measuring Angle to the corresponding coordinates of the mo
5、tor and realize the attitude adjustment. This article will show the whole production process of the Quadrotor Micro-aircraft in detail from the hardware, software, the initialization, control algorithm, debug and so on.Key words: Micro four rotor aircraft;Complementary filter;PD control algorithm; S
6、TM32F103; Self-balancing.-目 录1 绪 论11.1 本课题的研究意义及必要性11.2 相关领域国内外研究现状及发展趋势11.3论文篇幅简介32 四旋翼飞行器系统分析42.1系统基本原理42.2系统功能要求52.3 系统可行性分析53 四旋翼飞行器总体设计73.1 功能模块划分73.2 系统模块设计图73.3 系统流程图83.4 开发工具和开发框架介绍83.4.1 Altium Designer 6.9介绍83.4.2 Keil for ARM介绍93.4.3 Serial_Digital_Scope V2介绍94 四旋翼飞行器详细方案设计104.1 硬件模块的功能及设
7、计104.1.1 最小系统板STM32F103模块104.1.2 低压差电源模块114.1.3 倾角传感器模块114.1.4 空心杯电机驱动模块124.1.5 NRF24L01无线模块124.2 驱动程序功能及设计134.2.1 最小系统板初始化134.2.2 MPU6050初始化134.2.3 NRF24L01初始化134.2.4 空心杯电机驱动初始化145 四旋翼飞行器控制算法实现165.1角度及角速度数据处理算法165.1.1 互补滤波器可行性分析165.1.2 互补滤波器算法软件实现175.2姿态控制算法175.2.1 PID控制算法可行性分析175.2.2 PID控制算法软件实现18
8、5.2.3 多维度控制量输出融合算法196 四旋翼飞行器综合调试206.1基本功能实现206.1.1 姿态角度数据采集功能206.1.2 四旋翼飞行器遥控功能216.1.3 电机多维度矢量输出功能216.2高级功能实现226.2.1 姿态角度数据融合功能226.2.2 四旋翼飞行器自平衡飞行功能23结 束 语24致 谢25参考文献26附录A 部分代码271 绪 论1.1 本课题的研究意义及必要性信息时代，微电子技术及惯性传感器件的不断进步，使自平衡算法实现成为可能。从地上跑的自平衡机器人到天上飞的无人飞行器都离不开这些微电子技术及惯性传感器。这些“飞禽走兽”在危险领域的作业的突出表现，备受各国
9、专家学者的关注。从军用到民用，四旋翼飞行器由于其机械结构简单，制造成本低及简易的控制算法测试平台搭建，从而掀起了各个国家四旋翼飞行器爱好者的研究狂潮。国防军工事业离不开无人飞行器，四旋翼飞行器的优异性能使它在侦查、监视、跟踪等任务中独领风骚；现代农业，各式各样的四旋翼农药喷洒飞行器呼啸于各大农场的上空；四旋翼飞行器的研究，不仅具有学术研究意义，还有可观的经济现实意义，是学以致用的重要实践过程。1.2 相关领域国内外研究现状及发展趋势四旋翼飞行器广泛的应用范围和超高的实用价值促成了其在短时间成为热点，各国在四旋翼飞行器研究方面各有所长，以下是目前世界上比较出名的四旋翼飞行器研究成果： (1) R
10、C玩具公司Draganflyer飞行器 Draganflyer是玩具商业产品，系统集成了微控制器、无线遥控、三维度倾角传感器及角速度传感器，机身结构由轻质碳纤维及高密度尼龙搭建而成，Draganflyer X4-C是RC公司目前在卖的产品，售价2995美元，该产品长和宽都是47cm，最高工作直径为71cm，高度为25cm，可携带不超过320g的重物，该产品主要应用于航拍，底部加装高清摄像头，如图1.1所示：图1.1 RC玩具公司的Draganflyer X4-C四旋翼飞行器 (2) Stanford 的STARMAC测试平台斯坦福大学在Drangonflyer平台上，重新设计控制系统，四轴飞行
11、器上有：微型控制芯片，倾角测量单元，蓝牙通讯单元， GPS定位模块，超声测距模块。STARMAC能实现与上位机的通讯及相应的姿态预测、调整。该飞行器多次应用卡尔曼滤波器对采集信号进行滤波，采集的信号有倾角传感器的测量值、超声波测距模块的高度值及GPS模块的定位数据。应用卡尔曼滤波器能将飞行器真实的飞行姿态进行还原，从而提高系统的稳定性。Stanford的STAMAC平台如图1.2所示：图1.2 悬停在半空的斯坦福STARMAC四旋翼飞行器 (3) 宾夕法尼亚大学大学的四轴飞行器传遍全世界的TED视频，来自宾夕法尼亚大学的四轴飞行器依靠室内摄像头识别飞行器上标记球，完成各种飞行动作。经典的表演令
12、人连连称赞，倒立摆模型及水杯支撑飞行，其稳定性都给人留下了深刻的印象。相关视频可以在优酷上的TED公开课视频中找到，此处给出飞行器图片，如图1.3所示：图1.3 TED上的四轴飞行器 (4) 开源的四旋翼飞行器乐在开源，互联网上有一些设计者将飞行器项目共享在互联网上，吸引了大量的研究人员投入到开源的圈子里，在这样的资源共享世界里，四旋翼飞行器得到了极大的发展，由于论文篇幅有限，在此只列举几个较出名的开源四轴飞行器项目，它们分别有：KK四旋翼飞行器，德国的MK四轴飞行器，MWC四轴飞行器等。四旋翼在未来，将变得更加的智能化，随着各种传感器的不断发展，四旋翼飞行器稳定性必将得到极大的提升，负重能力
13、及续航能力都将大幅度提高。在未来，四旋翼飞行器将大量应用于国防、工业、农业等领域。智能时代，离不开这些智能化的产品。1.3论文篇幅简介本文共分为七部分，各个部分的内容简介如下：第一部分：绪论本部分主要阐述四旋翼飞行器课题的研究意义和必要性并追溯其发展渊源，同时还介绍四旋翼飞行器的应用现状和发展趋势。第二部分：四旋翼飞行器系统分析本部分对系统运动的基本原理进行分析并提出系统的功能要求，最后针对核心控制算法的可行性进行分析。第三部分：四旋翼飞行器总体方案设计对四旋翼的功能模块进行划分并给出系统模块设计图及系统工作流程图，最后简单介绍本系统开发调试的平台工具。第四部分：四旋翼飞行器详细方案设计本部分
14、从硬件和软件两部分分别阐述系统的详细设计方案。硬件方面有最小系统板、电源模块、倾角传感器、电机驱动、无线模块设计方案；软件方面有对应硬件模块的初始化。第五部分：四旋翼飞行器控制算法实现本部分提出应用互补滤波器来处理角度、角速度数据的想法并分析互补滤波器在本模型中的可行性，最后附上互补滤波器的软件实现思路；运算出倾角后，提出应用PID来控制飞行器姿态的观点并分析可行性。最后给出多维度矢量输出的实现算法。第六部分：四旋翼飞行器综合调试该部分将展示四旋翼飞行器的基本功能实现和高级功能实现的效果。基本功能包括四旋翼飞行姿态角度信号结果，四旋翼飞行器无线遥控调试结果，电机多维度矢量输出调试结果；高级功能
15、包括：姿态角度数据融合功能和飞行器自平衡功能实现结果。第七部分：结束语总结本次设计中的不足，提出相关的改进方案，总结本次毕业设计的收获，为后来人的研究提供些有用的建议。完成毕业设计后，对今后的工作、研究提出指导性展望。最后对本次毕业设计给予笔者帮助的所有人员致谢。2 四旋翼飞行器系统分析2.1系统基本原理作为无人飞行器研究的一重要分支，四旋翼飞行器因其简单的机械结构而备受瞩目，相对于庞大的无人机，四旋翼飞行器完美的机械结构更符合力学的各种定律。也不像直升飞机那样，需要设计一个消除反作用旋转扭矩的桨叶。如图2.1所示，四旋翼飞行器消除反作用旋转扭矩的功能与生俱来。图2.1 四旋翼结构原理图 从图4可以看到，1、3号桨叶的逆时针旋转，反向扭矩的方向是顺时针方向，同理2、4号电机顺时针旋转，反力矩方向为逆时针，对角两组电机在旋转扭矩相等的情况下正好相互抵消。如此巧妙的机械结构在控制算法和节
