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1、 四旋翼自主垂直起降飞行器设计摘要：四旋翼飞行器是一种结构新颖、性能优越的垂直起降飞行器，具有操作灵活、带负载能力强等特点，具有重要的军事和民用价值，以及研究价值。在深入了解四旋翼飞行器的研究现状、关键技术与应用前景的基础之上，根据四旋翼飞行器飞行原理，建立系统动力学模型，确定了系统组成和总体设计方案。首先根据设计方案采购了简单飞行器机体模型，选择合适的直流无刷电机作为系统动力装置，设计线性度良好、功率满足一定要求的无刷电机驱动器，以满足四旋翼飞行器带载飞行需要。选取了功能强大且容易开发的微处理器、传感器和相关电子元器件满足系统需要，并做了大量的系统软硬件调试工作，最终完成了整体设计。飞行器运
2、动姿态测量单元主要由惯性测量单元(IMU)和三轴磁传感器组成，根据其传感器的性能指标，构建数学模型，从而得到载体准确的航向信息和相应姿势，为飞行器系统稳定飞行提供重要的保障。 四旋翼无人飞行器要实现稳定飞行是以平衡控制为前提的，由于该飞行器具有六自由度而只有四个控制量的欠驱动的控制系统，通过调节四个电机转速实现飞行器平衡稳定飞行，因此平衡控制是四旋翼飞行器运动中的关键。根据系统动力学模型设计控制算法，设计四旋翼飞行器控制系统控制规律，主要包括两个控制回路：姿态控制回路、位置控制回路。在仿真软件平台上，通过仿真验证后将算法移植到处理器中，进行控制算法验证及实验研究，优化飞行控制算法参数。最后，为
3、了满足四旋翼无人飞行器的稳定飞行控制的要求，设计实时性高的控制系统软件程序，进行相关实验调试工作。最终设计出能够实现一键飞行、高效的四旋翼自主飞行器。关键词：四旋翼飞行器 瑞萨R5F100LEA PWM 陀螺仪 超声传感器AbstractFour rotor aircraft is a kind of novel structure, superior performance of vertical take-off and landing aircraft, has many characteristics, such as flexible operation and load abili
4、ty, has the important value of military and civilian, and research value. In understanding the research status of four rotor aircraft, the key technology and the application prospect, according to the principle of four rotor aircraft flight, establish a system dynamics model, the system composition
5、and the overall design scheme is determined. First according to the design plan to purchase the simple vehicle body model, select the appropriate brushless dc motor as the power unit system, design good linearity and power meet certain requirements of brushless motor drive, to meet the needs of the
6、four rotor aircraft flying on load. Selected the powerful and easy development of microprocessors, sensors and related electronic components meet the needs of the system, and made a lot of system hardware and software debugging, finally completed the overall design. Aircraft motion measurement unit
7、is mainly composed of inertial measurement unit (IMU) and a three-axis magnetic sensor, according to the sensor performance index, build the mathematical model of the carrier to get the exact course information and the corresponding position, provide important guarantee for aircraft flying system st
8、able. Four rotor unmanned aerial vehicles to achieve stable flight is the premise of the balance control, due to the aircraft has six degrees of freedom only four control of underactuated control system, by adjusting the motor speed to achieve four aircraft flying balanced and stable, so the balance
9、 control is key in the four rotor aircraft movement. On the simulation software platform, through the simulation verify the algorithm after transplantation into the processor, verifies the control algorithm and experimental research, optimization of flight control algorithm parameters. Finally, in o
10、rder to meet the requirements of the stability of the four rotor unmanned spacecraft flight control, high real-time performance of control system software design, carries on the related experimental debugging. A key to achieve ultimately designed to fly, high efficient and automatic four rotor aircr
11、aft.Keywords: four rotor aircraft renesas R5F100LEA PWM gyroscope ultrasonic sensors 目 录一、系统方案比较与设计6二、单元电路设计与计算7 1. 四旋翼飞行器飞行模式72. 系统硬件芯片的选择133、飞行姿态的测量154、超声波传感器高度控制155、电源模块166、硬件电路图16三、程序设计17四、系统测试181、基本部分测试182、测试方法183、测试结果18五、结论 19六、参考文献19七、附录201、仪器设备清单202、程序清单201主函数203、子函数21一、系统方案比较与设计 1.方案一：以瑞萨R5
12、F100LEA为核心控制超声波测距系统，通过主控芯片记录超声波发射的时间和收到反射波的时间，当收到超声波的反射波时，接受电路利用PWM调制法，使飞行器根据不同高度，控制脉冲占空比，从而控制速度。该方法较易实现，仅由电机直接驱动，电路简单，利于一键起飞。 2.方案二：考虑以上方案，受外力影响大，稍有倾斜，飞行器将失去平衡。为了达到控制飞行器平衡稳定飞行，外加 MPU6050模块，MPU-6050中陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为数字量，这些数字量输入到主控芯片，结合精密算法，调节脉冲占空比，调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位
13、置。 通过比较两种方案，确定了使用方案二，虽然算法复杂，但困难是可能被克服的，能够完成基本任务；而方案一，算法粗糙，一旦采用，面临的各种问题是难以想象的，所以确立为方案二。二、单元电路设计与计算 1、带防撞的四旋翼飞行器 1.1 四旋翼飞行器飞行模式 四旋翼飞行器是一种由固连在刚性十字交叉结构上的4个电机驱动的一种飞行器。飞行器动作依靠4个电机的转速差进行控制，其机械结构相对简单，可由电机直接驱动，无需复杂的传动装置，便于微型化。相较于典型的传统直升机，仅仅装配有一个主转子和一个尾桨，通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置的飞行模式，四旋翼飞行器是通过调节四个电机转速来改
14、变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，按照旋翼布置方式可分为十字模式和X模式，如图l所示，四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，是一种六自由度的垂直升降机，因此这种欠驱动系统非常适合静态和准静态条件下飞行。 对于姿态测量和控制的编程算法来说，十字模式较X模式简单，前者的飞行模式是通过只改变单个机翼转速的方法而完成前后左右四个方向的飞行；而后者的飞行模式是通过同时控制两个机翼转速的方法而完成前后左右四个方向的飞行。十字模式算法简单，容易操作，飞行平稳。X模式算法复杂，可操作性不强。综上所述，采用了十字模式算法。前 图1 十字
15、模式算法 1.2四旋翼飞行器产生基本动作的原理 四旋翼飞行器结构形式如图2所示，电机1 和电机3 逆时针旋转的同时，电机2 和电机4 顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1 和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。 四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。图2 四旋翼飞行器的结构形式 基本运动状态分别是：垂直运动；俯仰运动；滚转运动；偏航运动；前后运动；侧向运动。在图3中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。图3（a）垂直运动：垂直运动相对来说比较容易。在图中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时
