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1、基于APM飞控技术的定点投送飞行器摘要四轴飞行器是微型无人飞行器的一种，装有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉，分为前后和左右两组(即对角线上为一组)。两组螺旋桨的旋转方向相反，可以抵消 反扭力矩。螺旋桨具有固定浆距，飞行过程中只需改变四个轴的转速即可实现各种复杂运动。国外某些科技公司，如亚马逊，正在开发研究利用多旋翼飞行器进行快递投送等自动化的物流业务，可见其具有广泛的军事和民事应用前景。但是四旋翼飞行器控制难度较大,难点在于飞行器具有欠驱动、多变量、非线性等比较复杂的特性。因此四旋翼飞行器的建模与控制也成了控制领域的热点和难点。四旋翼飞行器有各种的运行状态,比如:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯
2、仰运动、偏航运动等。本文采用牛顿-欧拉模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。本文限于作者能力未对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽的分析和研究,而是一定程度上简化了四旋翼飞行器的数学模型，在一定姿态角度内近似将其看作线性系统，以方便使用PID控制算法对飞行器在空中的三个欧拉角进行控制。本文提出了四旋翼飞行器的系统设计方案，按照功能分别设计了姿态检测单元、姿态控制单元、执行单元和基于GPS的简单导航系统单元。该系统能进行飞行器的常用控制操作，并能接收并分析出需要的GPS定位信息，与存储的定位坐标进行简易地自主导航，并在显示屏上模拟和显示。本文主要参考国际上四旋翼开源项目,基于AVR8位单片机A
3、tmega328p、MPU6050IMU模块进行了硬件选型、电路设计与制作、软件代码的编写及调试，最终实现较好的控制结果。关键词：四轴飞行器; APM飞控; PID控制器; ArduCopter ; IIC总线; GPS导航;AbstractQuadCcpter is an unmanned MAV(Micro Air Vehicle), with four propellers which are cross-shaped, Divided into two pairs of longitudinal and horizontally (as a group in a diagonal).
4、Two propellers rotating in opposite directions , can counteract the anti- torque .The blade pitchIt of propellers is fixed, changing the rotational speed of the four propellers simply to do complex movement during the flight. Some foreign technology companies, such as Amazon, is the development and
5、utilization of multi rotor aircraft of the express delivery and other automated logistics business, visible it has broad application prospects in military and civil. But the four rotor aircraft control difficult, the difficulty lies in the vehicle has the characteristics of multi variable, nonlinear
6、 underactuated, such as complex. Therefore, modeling and control of four rotor aircraft has become a hot and difficult control field. Four rotor aircraft operations, such as: all the climb and descent, hovering, rolling motion, pitching, yawing movement etc. In this paper, using the Newton Euler mod
7、el to describe the four rotor aircraft flight attitude. In this paper, limited ability of the author detailed analysis and Research on the four rotor aircraft do not stand structure and dynamics, but to a certain extent, simplifying the mathematical model of four rotor aircraft, in a certain attitud
8、e angle in approximation as the linear system, in order to facilitate the use of PID control algorithm for the control of the aircraft in the air of the three Euler angle.This paper presents the system design scheme of four rotor aircraft were designed, according to the function of attitude detectio
9、n unit, attitude control unit, an execution unit and a simple navigation system unit based on GPS. Commonly used to control the operation of the system can make the aircraft, and can receive and analysis of GPS positioning information need, and storage location coordinates are simply the autonomous
10、navigation, and the simulation on the display and display. This paper mainly with reference to the four rotor open source project, AVR8 SCM and MPU6050IMU module based on Atmega328p are compiled and debugged the hardware selection, design and manufacture, circuit software code, and eventually realiz
11、e the better control results.Key words: Quadcopter; APM(ArduPilotMega) ;PID controller; ArduCopter; 1绪论1.1研究背景四旋翼飞行器与普通旋翼飞行器相比,具有结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大的升力等优点;而且四旋翼飞行器非常远在狭小的空间内执行任务。因此,四旋翼飞行器具有广阔的应用前景,吸引了众多的科研人员,成为国内外的研究热点。作为无人机中富有生命力的机型，四轴飞行器还具备无人机的多种优势。无人机是一种体型较小、无人驾驶，能够在空中实现自主飞行并执行一定任务的飞行器。无人机与普通飞机相
12、比,其结构简单成本低，便于制造和维护；由于无人驾驶，因此其有效载荷更大，能够安装更多的设备或武器，完成任务的效率和可靠性更高；而且即使出现意外险情也不会危及到飞行员的生命安全，因此广泛应用于各种高风险的任务中。在军事领域，无人机早己投入到实战使用中1。无人机在战争中可以实施战场侦査、目标定位、单位跟踪、电子干扰甚至火力支援等任务。例如，美国在阿富汗战争和伊拉克战争期间就大量使用了“全球鹰”无人机，在取得巨大战果的同时也极大地减少了美军的伤亡。在今后的信息化战争中，无人机必将发挥着越来越重要的作用。在民用和科技领域，无人机也发挥着巨大的作用。例如，无人机可以在发生重大灾害后实施侦査、搜寻与救援工
13、作；可以安装多种探测设备用于火灾、虫灾监测和地质勘探中；还可以携带多种科学设备进行科学实验。因此，世界各国都非常重视无人机的研制工作。按照结构的不同，无人机可以分为固定翼无人机和旋翼无人机两种，其中前者又可分为螺旋桨式固定翼无人机和喷气式固定翼无人机两种，后者又可分为单旋翼无人机和多旋翼无人机两种。两者的飞行原理也不同，固定翼无人机利用发动机产生的推力或者拉力使飞机高速前进，利用机翼产生维持飞行状态的升力；而旋翼无人机则利用一个或多个螺旋桨高速旋转产生升力，并利用升力在水平面上的分力实现前后、左右运动2。与固定翼无人机相比,旋翼无人机具有能够向后飞行、垂直起降和悬停的特点,对起飞、降落场地的条
14、件要求很少,控制起来非常灵活,能够满足多种用途,因此旋翼无人机具有更大的研究价值。四旋翼飞行器与普通旋翼飞行器相比,具冇结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大的升力等优点;而且四旋翼飞行器非常远在狭小的空间内执行任务。因此,四旋翼飞行器具有广阔的应用前景,吸引了众多的科研人员,成为国内外新的研究热点3。飞行控制器是四旋翼飞行器最核心的部分，飞行器通过飞行控制器与外界交互并做出反应，使得飞行器能够在没有外界操纵和干预的情况下自主飞行。本文讨论了一种简单的基于GPS的四轴无人飞行器自主导航系统的实现，以应用当今越发兴起的物流行业的货品运输领域。1.2国内外四轴飞行器自主导航系统发展现状四旋翼飞行
15、器的发展经历了两个阶段。第一阶段是在20世纪初,1907年法国科学家Charles Richet制造了一架小型的无人机,虽然不是很成功,但是他的学生Louis Brguest在其的指导下幵发了第一架载人四旋翼飞行器,其后来又研发出了的第二架原型机。两架原型机都是由飞行员直接控制四个螺旋桨转速,由于操控过于复杂,进行的飞行试验都不是很成功。在1921年,George de Bothezat为美国陆军航空勤务部(United StatesArmy Air)研发了一架实验性四旋翼飞行器,但是该项目仅仅进行了四年就由于机构过于复杂、控制困难而取消了。1924年出现了世界上第一架能够完成超过一千米距离飞
16、行的四旋翼飞行器Oemidien。1957年,美国克莱斯勒汽车公司应美国陆军要求为其研发了VZ-7飞行器,促是由于控制过于复杂,美国陆军对这一项目渐渐失去了兴趣,使得这个项目也最终搁浅,至此四旋翼飞行器的发展陷入了低谷。第二阶段从21世纪初开始至今。进入21世纪以来,低功耗微处理器的处理能力越来越强,微机电系统(MEMS)技术的发展使得捷联式惯性导航系统越来越小,成本越来越低。随着直流111机技术的发展,出现了许多体枳小转速高转矩大的直流电机,锂电池技术的发展使得钮!电池储能密度加大同时放电电流也变大,这就使锂电池对大功率直流屯动机的驱动成为可能。这些技术的发展使得以直流电机作为动力源的微小型飞行器进入了一个新的发展阶段。四旋翼飞行器目前的研究主要有在高校科研机构、国际开源项目和科技公司的商业开发。高校的四旋翼科研项目主要有:瑞士桑联邦理工学院(EPFL)的OS4和OS4II，麻省理工学院(MIT)计算机科学和人工智能实验室(ACL)的Quadrocopter,宾西法尼亚大学的HMX4和佐治亚理
