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1、- 1 -广西科技大学普通本科毕业设计（论文）说明书课题名称 无线遥控的四轴电机驱动模块的设计学 院 电气与信息工程学院 专 业 测控技术与仪器 班 级 测控 121 - 2 -学 号 201200304002 姓 名 黄诚文 指导教师 陈政强 2016 年 5 月 17 日摘 要四轴飞行器是成本比较低的遥控控制飞行对象。和其他的形式的飞行机器对比，四旋翼飞行器软件复杂（尤其是算法），而硬件层面简单精细。本文介绍一个通过无线遥控方式，控制被控端的四轴电机完成正反转及调速（被控端具有初步的自身姿态调整功能）控制方案的设计。文中重点介绍了硬件系统的工作原理和软件算法原理，主要包括遥控模块、飞控控制
2、硬件模块组成和飞行姿态解算几个内容。遥控模块采用2.4GHz 无线通信技术，飞控模块采用嵌入式系统结合陀螺仪及加速度传感器构成，完成姿态解算和飞行控制功能。姿态解算采用基于四元数的姿态解算互补滤波算法，通过读取传感器的数据，把这些数据解算成飞行器的姿态，并用四元数和欧拉角分别表示出来。最后通过飞行器 PID 参数调试让飞控达到理想的状态。关键词： 遥控； 无线通信； 四轴飞行器； 控制； 姿态- 3 -The design of Quadcopter motor drive module by wireless remote control Cheng-wen HuangAbstractQua
3、dcopter is a low cost of the remote control flight objects relatively. Compare with other forms of flight machine, quadcopter is complex (especially algorithm) on software, and the hardware level is simple and exquisite. This thesis introduces a design of quadcopter motor which is controlled by a wi
4、reless remote control system, the system can change quadcopter motor speed and reverse. This thesis focuses on the system hardware working principle and the software algorithm, including remote - 4 -control module, flight control hardware modules and the flight attitude control solution. Remote cont
5、rol module uses 2.4GHz wireless communication technology, and flight control module uses embedded system combines gyroscopes and accelerometers, accomplish the attitude calculation and the flight control functions. Attitude solution uses the attitude estimation based on quaternion complementary filt
6、er for the quadcopter, reading the sensor data and change into the attitude of quadcopter, express it by the quaternion and the Euler angles respectively. Finally, through the debugging of PID parameters for quadcopter to achieve the ideal state.Key words:remote control;Wireless communication;quad-r
7、otor;control;attitude目 录第一章 绪论 .- 1 -第一节 课题背景 .- 1 - 5 -1.1.1 遥控的发展概况 .- 1 -1.1.2 四轴飞行器的发展概况 .- 1 -第二章 工作原理 .- 2 -第 1 节 飞行原理 .- 2 -2.1.1 坐标系统 .- 2 -2.1.2 力学原理 .- 2 -2.1.3 姿态解算的意义 .- 3 -2.1.4 姿态的表示方法 .- 3 -第三章 方案设计 .- 5 -第 1 节 遥控器的构成 .- 5 -3.1.1 硬件构成 .- 5 -3.1.2 软件实现 .- 11 -第 2 节 被控端的构成 .- 12 -3.2.1
8、硬件构成 .- 12 -3.2.2 机械构成 .- 16 -3.2.3 软件实现 .- 16 -第 4 章 数据处理 .- 18 -第 1 节 飞行器的姿态解算 .- 18 -4.1.1 PID 算法 .- 18 -4.3.2 飞行器 PID 参数调试 .- 20 -4.3.3 基于四元数的姿态解算互补滤波算法 .- 22 -结束语 .- 25 -致谢 .- 26 -参考文献 .- 27 - 6 -附录 .- 28 - 1 -第一章 绪论第一节 课题背景1.1.1 遥控的发展概况这些年来，无线通信技术与人们的生活中息息相关，遥控是无线通信技术中最主要的产品之一。目前遥控器主要分为红外遥控器和无
9、线电遥控器两种，两者各有不同的优势，应用的领域也有所区别。红外遥控器的电路调试简单，编码容易，成本较低，不受周边环境影响，不干扰其他电器设备，但是控制范围较短（一般在 10 米以内），而且是有方向性的，不能穿透障碍物。所以一般用于家用电器（电视、空调遥控器等等）。无线电遥控器的控制范围较高，没有特定的方向，穿透力较强，但是发射功率大耗电大，容易受到电磁的干扰，通常用于汽车遥控、智能家居等等。1.1.2 四轴飞行器的发展概况四轴飞行器又称四旋翼、四转子，是一种多轴飞行器，有四个旋翼来悬停、维持姿态及平飞。和固定翼飞机不同，它通过旋翼提供的推力使飞机升空。它的四个旋翼大小相同，分布位置接近对称。对
10、于简单的设计来说，仅仅通过调整不同旋翼之间的相对速度来调节不同位置的推力，并克服每个旋翼之间的反扭力矩，就可以控制飞机维持姿态和完成各种机动飞行。这一点和直升机不同，常见的直升机就有两个旋翼，尾桨只起到抵消主旋翼产生的扭矩和控制飞机偏航运动的作用。随着科技不断发展进步，尤其是 MEMS 技术的发展和电机技术的使用，还有数学算法和建模的成熟，创造出了小巧、稳定、结构简单的四轴飞行器。其中微型四轴飞行器的成本十分低廉（可以做到百元内）。四轴飞行器的应用非常广泛，可以用于军事、科学研究和民用。在民用领域，四轴飞行器可以用于影视航拍、农业植保、渔业监管、个人玩具等等。国内比较知名的无人机公司有深圳市大
11、疆创新科技有限公司等等。- 2 -第二章 工作原理第 1 节 飞行原理2.1.1 坐标系统飞行器的坐标系统是二维空间指教坐标系统，分别是地理坐标系和机体坐标系。地理坐标系是固定的，连接在地面上的坐标系。机体坐标系也是固定的，连接在飞行器上的坐标系。由于四旋翼飞行器的运动范围比较小，所以可以不考虑地面曲率。人们习惯性上将地面假设为惯性系。坐标地理使用 Y 轴上北下、X 轴南左西右东、Z 轴上天下地，坐标零点位于机架中心板中心。如图 2-1 所示为坐标示意图。图 2-1 坐标示意图X、Y、Z 轴与各个选择轴之间符合右手螺旋定则。各个旋转方向命名为 PIT(俯仰)、ROL(横滚)、YAW(偏航)。由于四轴的运动基本是由于倾斜后的分力在起作用，因此后面主要的解算和分析都是围绕着这几个旋转量。- 3 -2.1.2 力学原理四轴飞行器通常有两种模式，十字模式与 X 字模式。本次设计采用的是 X 字模式。四轴飞行器通过改变自身四个旋翼的转速，可以比较灵活地进行各种飞行动作。主要依据的运动原理是力的合成与分解，以及空气转动扭矩的反向性。为了描述方便，将四个电机编号为 1-4 号。如下图 2-2 所示 X 字模式的电机旋转方向和编号。图 2-2 X 字模式的电机旋转方向和编号四个电机相邻的两个旋翼的转动方向相反，而在对角线上的两个
