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1、分类号 V249 单位代码 11395 密 级 学 号 1005270133 学生毕业设计（论文）题 目四旋翼自主飞行器设计作 者刘赟跃院 (系)能源工程学院专 业测控技术与仪器指导教师王晶答辩日期2014 年 5 月 24 日榆 林 学 院毕业设计（论文）诚信责任书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明
2、。本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 论文作者签名: 年 月 日榆林学院本科毕业设计（论文）摘 要四旋翼飞行器是能够垂直起降、多旋翼的飞行器。与传统旋翼式飞行器不同的是其在飞行中四只旋翼可以相互抵消掉反扭力矩，而不需要反扭矩桨，使其结构更紧凑、产生更大升力。同时因其飞行空间小、效率高、飞行稳定、易控制等优点，使之在军事、民用方面有广阔的前景。本设计以16位瑞萨(Renesas)单片机RL78/G13R5F100LEA作为控制核心，通过电子调速器控制、驱动飞行器的四个直流电机，利用三轴角速度传感器、三轴加速度传感器组成飞行器飞行状态检测、控制模块，采用红外收发管实现
3、飞行器飞行壁障、超声波传感器测距来控制、检测飞行高度，以C语言、卡尔曼滤波及PID算法实现控制软件的编写从而实现低空飞行的四旋翼自主飞行器验证机的设计。设计首先对四旋翼飞行器进行概述，分析四旋翼飞行器特点和发展趋势。其次，根据设计要求进行系统方案设计，并完成总体结构设计、硬件设计、软件设计。最后，进行调试、验证试飞。本设计从低成本、低功耗、高性能方面入手，完成了飞控系统硬件设计、制作、电路调试等实现了四旋翼自主飞行器的基本功能。关键词：四旋翼飞行器；电子调速器；加速度传感器；卡尔曼滤波；PIDDesign of Four-rotor Autonomous AircraftABSTRACTFou
4、r-rotor aircraft is a multi rotor aircraft, which is capable of vertical take-off and landing. Different from the traditional rotary wing aircraft four-rotor aircraft can be mutually offset anti torsion moment, without the need of anti torque propeller, making it more compact and can generate greate
5、r lift. At the same time, because of its advantages of high efficiency, small space flight, flight stability, easy control, which make it have a broad prospect in military, civilian.The design use the 16 bit Renesas RL78/G13 MCU R5F100LEA as control core, through the electronic speed control, drivin
6、g the aircrafts four DC motors, make use of the three axis angular velocity sensor, three axis acceleration sensor as flight state detection and control module, using the infrared receiving tube to achieve flight obstacle avoidance, ultrasonic sensor to control the flying height, distance detection,
7、 using C language, Calman filter and PID algorithm to achieve the control software to realize the test machine design of four-rotor autonomous aircraft which can fly at low altitude. This design first gives an overview of the four-rotor aircraft, flight characteristics and the development trends of
8、the four-rotor aircraft. Secondly, according to the design requirements design the system, and complete the overall structure design, hardware design, software design. Finally, debugging, flight-test and verification.From the aspects of low cost, low power, high performance, the design completed the
9、 flight control system hardware design, manufacture, circuit debugging and realized the basic functions of the four-rotor autonomous aircraft.Key words: Four-rotor aircraft; Electronic speed control; Acceleration sensor; Calman filter;PID45目 录摘 要IABSTRACTII目 录III1 绪论11.1本设计的目的及意义11.2国内外发展研究现状11.2.1国
10、外发展研究现状11.2.2国内发展研究现状21.3本设计的主要内容21.4本章小结22 四旋翼自主飞行器总体设计32.1四旋翼自主飞行器飞行平台32.2四旋翼自主飞行器的结构及控制原理32.3本章小结73 四旋翼自主飞行器硬件设计93.1系统结构分析93.2微控制系统模块93.3飞行姿态检测模块103.3.1飞行姿态检测传感器MPU6050113.3.2 MPU6050与主机的通信133.4电机驱动模块153.5超声波测距模块173.6红外避障模块183.7电源模块183.8飞行控制模块193.9本章小结194 四旋翼自主飞行器软件设计214.1软件总体设计214.2软件开发平台简介234.2
11、.1 CubeSuite+编译软件的介绍及操作方法244.2.2 Renesas Flash Programmer烧写软件的介绍及操作方法274.3飞行姿态解算算法及程序294.3.1加速度传感器测量数据解算294.3.2陀螺仪测量数据解算304.4数据处理及程序304.4.1卡尔曼滤波与平均值滤波314.4.2卡尔曼滤波、平均值滤波程序324.5PID控制算法344.5.1数字PID位置型控制算法354.5.2数字PID增量型控制算法354.6本章小结365 四旋翼自主飞行器系统调试与实现375.1电子调速器对电机控制的调试375.2 MPU6050传感器测量调试385.3超声波测距调试39
12、5.4红外避障调试405.5四旋翼自主飞行器整体调试415.6本章小结426 总结与展望436.1总结436.2展望43参考文献45致 谢47附录A 四旋翼自主飞行器原理图49附录B 四旋翼自主飞行器实物图51附录C 程序代码531 绪论1.1本设计的目的及意义四旋翼自主飞行器是一种能够垂直起降、多旋翼式的飞行器，其通过自带电源驱动电机来提供动力。它在总体布局上属于非共轴式碟形飞行器，与常规旋翼式飞行器相比，因其四只旋翼可相互抵消反扭力矩的优点，而不需要专门的反扭矩桨从而使其结构更为紧凑，能够产生更大的升力。同时又因其具有灵活性高、要求的飞行空间小、能源利用率高、隐蔽性强以及安全性能高等优势，
13、特别适合在近地面环境（如室内、城区和丛林等）中执行监视、侦查等任务，其在军事（电子战）和民用（通信、气象、灾害监测）方面都有很大的应用前景。另外，新颖的外形、简单的结构、低廉的成本、卓越的性能及独特的飞行控制方式（通过控制四只旋翼的转速实现飞行控制）使其对广大科研人员具有很强的吸引力，成为国际上新的研究热点1。1.2国内外发展研究现状1.2.1国外发展研究现状早在1907年，由Breguet-Richht发明的世界上第一架四旋翼飞行器“Gyroplane No.1”升上了天空。目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器。国外的四旋翼飞行器因拥有悠久的科学文化历史和研发团体机构，加
14、快了多旋翼飞行器的发展。国外的很多高校和研究机构如Stanford University（美国的斯坦福大学）、University of Technology of Compiegne（法国贡比涅技术大学）等已经展开了相关的研究并取得了一定的成果。另外国外一些商业公司也加入了四旋翼无人飞行器研究的行列，如美国Draganfly公司，德国Microdrones GmbH公司等，他们的加入使得四旋翼飞行器的发展得到了迅速的发展。其中Draganfly公司的Draganflyer飞行器已经被很多高校采用为飞行器本体，进行实验。20世纪末19世纪初期，贝尔波音公司将固定四旋翼直升机概念和倾转旋翼概念进行了融合，设计出了新型的军用飞行器，成功地实现了四旋翼飞行器新型机在军事上的应用，从而极大地提高了飞行器的作战能力。21世纪，网络信息时代飞速发展。美国Parrot AR Drone和苹果公司推出了通过iphone手机蓝牙、WiFi控制四旋翼飞行器飞行的新产品。欧美发达国家四旋翼飞行器已投入了商业、军事领域，获得了显著的效果。1.2.2国内发展研究现状我国的四旋翼飞行器的发展仍然处于初期发展阶段，由于缺乏独立的核心技术，能应用于专业领域的相关产品仍未大批量生产、投入使用。但是在国内，一些研究机构及高校对四旋翼飞行器的研究也取得了卓有成效的进展，其中有国防科技
