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1、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 IABSTRACT II第 1 章 绪论 1论文研究背景及意义 1国内外的发展情况 2本文主要研究内容 4第 2 章 总体方案设计 5总体设计原理 5总体设计方案 5系统硬件电路设计方案 5各部分功能作用 6系统软件设计方案 7第 3 章 系统硬件电路设计 8Altium Designer Summer 09 简介 8总体电路设计 8遥控器总体电路设计 8飞行器总体电路设计
2、 10各部分电路设计 10电源电路设计 10主控单元电路设计 12无线通信模块电路设计 13惯性测量单元电路设计 16电机驱动电路设计 18串口调试电路设计 19PCB设计21PCB 设计技巧规则 21PCB 设计步骤 22PCB 外形设计 23实物介绍 25第 4 章 系统软件设计 27Keil 简介 27Keil MDK 概述 27Keil MDK 功能特点 27软件设计框图 28软件调试仿真 29飞控软件设计 30MPU6050 数据读取 30姿态计算 IMU 32PID 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
3、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
4、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
5、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； PWMABSTRACTFour-axis aircraft equipped with VTOL (Vertical Take-Off and Landing, vertical take off and landing) aircraft with all the advantages, and UAVs low cost strong, repeatable, and low accident costs, has broad application prospects. Can b
6、e used in military battlefield reconnaissance and surveillance, access is not easy to get information. Able to perform special tasks such as patrolling the no fly zone and close air support, could cope with modern electronic warfare, communications relay of modern warfare. In civil use can be used f
7、or post-disaster rescue, traffic patrol and tracking, and many other aspects of the city. Can be used in a safety inspection on the industrial, large-scale chemical sites, high-voltage power lines, dams, bridges and artificial mountain after the earthquake are not easy to reach space.This design inc
8、ludes two remote controls and aircraft parts, central processing unit CPU using of 32ARM NXP Corex-M3 kernel LPC1549,clock frequency is 72MHz; Wireless communication 2.4G communication with the remote control of aircraft band NRF24L01 module NRF24L01 module between the MCU and 1MHz communication spe
9、ed through the SPI protocol communications; Aircraft end carrying a 3-axis accelerometer and integrating three-axis gyro MPU6050 inertial measurement unit as a gesture of Euler angle measurementunit,MPU6050?aircraft?between?the?MCUcommunicates?through?the?I2C?Protocol?with400Hz?frequency; Aircraft e
10、nd-MCU by receiving wireless data MPU6050 data collected by Quaternion complementary filters calculate the Euler angles. PID motor control, ultimately 20KHz PWM drive through the MOS tube hollow glass 820 DC brush motor, remote control design of four axis aircraft.Keywords Quadrocopter； PID Auto con
11、trol； MPU6050； PWM第1章绪论论文研究背景及意义图1-1典型四轴飞行器四轴飞行器是一种具有4个对称旋翼的直升机（如图1-1）,具有垂直 起降、结构简单、操纵方便及机动灵活等优点，在飞行器上挂载摄像头等模 块能够实现许多实用功能。在实际应用方面，以四轴飞行器为代表的小型无 人机在执行军事任务时具有很大的优势。它们能够在士兵的操控下进行战场 上近距离、小范围、复杂地形环境的敌情侦察，还可以用作通信联系工具或 者指示目标机，甚至还能装上弹药直接执行战略攻击任务。在民用与工业领 域，四轴飞行器也具有广泛的应用前景。通过携带特定的功能检测模块，四 轴飞行器可以感知危险区域的有毒物质浓度或
12、核辐射强度等。微型四轴无人 飞行器可以自主完成上述任务，不仅节约成本，而且大大简化了人力劳动， 也在人类无法到达的危险、危害环境可以完全代替人类工作。近年来，很多学者和研究机构通过对四轴飞行器进行动力学和运动学分 析，建立了系统的数学模型，提出了各种控制算法，并设计了飞行控制系统 进行验证；加上传感器技术和控制理论的不断发展，尤其是微电子和微机械技术的逐步成熟，使四轴飞行器的飞行控制成为了一个具有广阔前景的研究 课题。国内外的发展情况早在二战时，载人四轴的原型机已经被设计出来，但因为控制技术还跟 不上，飞行器因不稳定而无法投入实际应用。那时欠缺的技术主要是惯性测 量和控制器的缺陷，那时候的惯性
13、导航系统一般是十几公斤的大铁疙瘩。为 了把这么重的东西放到一个多旋翼飞行器上，飞行器的载荷必须很大，可是 人们发现，不管是用油机还是电机做多旋翼飞行器的动力系统，都很难得到 足够的载荷。同时，因为固定翼和直升机已经很够实际使用了，所以没有人 愿意多花功夫去研究多旋翼飞行器这个棘手的问题。很长一段时间里，只有 美国一些研发性的项目做出了多旋翼飞行器的样机。20世纪90年代之后，随着微机电系统（MEMS）研究的成熟，几克重的 MEMS 惯性导航系统被制作了出来，使得多旋翼飞行器的自动控制器可以制 作了。但是 MEMS 传感器数据噪音很大，不能直接读出来用，于是人们又花 了一些年的时间研究 MEMS
14、 去噪声的各种数学算法。这些算法以及自动控制 器本身通常需要速度比较快的单片机来运行，于是人们又等了一些年时间， 等速度比较快的单片机诞生。接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行 器的非线性系统结构，给它建模、设计控制算法、实现控制算法。因此，直到2005年左右，真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制 作出来。之前一直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器系统突然出现在人 们视野中，大家惊奇地发现居然有这样一种小巧、稳定、可垂直起降、机械 结构简单的飞行器存在。一时间研究者趋之若鹜，纷纷开始多旋翼飞行器的 研发和使用。四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最简单最流行的一种。如上所述，最初 的一段时间主要
15、是学术研究人员研究四旋翼。四旋翼飞行器最早出现在公众 视野可能要追溯到2009年的着名印度电影三傻大闹宝莱坞到了 2010 年，法国Parrot公司发布了世界上首款流行的四旋翼飞行器。作为一个高科 技玩具，它的性能非常优秀：轻便、灵活、安全、控制简单，还能通过传感 器悬停，用WIFI传送相机图像到手机上。的流行让四旋翼飞行器开始广泛进入人类社会。在玩具这个尺寸上，多 旋翼飞行器的优势就显示出来了，同尺寸的固定翼基本飞不起来，而同尺寸 的直升机因为机械结构复杂，根本没法低成本地制作出稳定的产品。2012年2月，宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授在TED上做出了四 旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲。这一场充满数学公式的演讲居然大 受欢迎，迄今已经有三百多万次观看，是TED成百上千个演讲中浏览量最 高的演讲之一。自此之后，四旋翼飞行器受到的关注度迅速提升，成为了新 的商业焦点。在国内，四轴飞行器发展于深圳市大疆创新科技有限公（DJ-Innovations， 简称DJI），早年DJI专注在直升机自动控制器上。不过在2010年，的成功 也让DJI开始考虑四旋翼飞行器产品。2012年DJI相继推出了风火轮系列 四旋翼机架、悟空四旋翼飞控和S800六旋翼飞行器。当时，在的
