摘 要

在飞行器高速发展的年代，各种各样的飞行器出现在人们的眼前，飞行再也不是人类的梦想，成为了能真实体验到的新型高效的运输，交通与探测方式。而四旋翼飞行器以其独特的较高的稳定性，简单的操作方法以及较小的体积和质量得到了越来越多的关注，在近几年得到了飞快的发展，不管是军用作战方面还是民用航拍方面等等都得到了广泛的应用。

本文以四旋翼飞行器的入门级学习为目标，实现四旋翼飞行器的软硬件设计，详细工作主要分为三部分：

1.学习四旋翼飞行器的运动模型，了解飞行器姿态的欧拉角表示法，四元数表示法，角速度，欧拉角与四元数的相互转换关系。

2.完成四旋翼飞行器的整体硬件电路设计，完成各模块的驱动程序设计。整体电路主要包括STM32最小系统模块、MPU6500传感器模块、电源模块、电机和电机控制模块以及无线通信模块等。驱动程序主要包括SPI通信、MPU6500读写、无线通信、电机PWM控制等。

3.使用互补滤波算法来实现四旋翼飞行器的传感器数据滤波及姿态解算，使用PID控制算法来进行四旋翼飞行器的姿态控制。

关键词：四旋翼飞行器，运动模型，MPU6500，互补滤波算法，PID控制算法

Abstract

In the era of rapid development of the aircraft, a variety of aircraft appear in front of people, the flight is no longer a human dream, has become a real experience to the new and efficient transport, transportation and detection methods. The quadrotors with its unique high stability, simple methods of operation and smaller size and quality has been more and more attention in recent years has been rapid development, whether it is military operations or Civil aerial aspects and so have been widely used.

In this paper, quadrotors entry-level learning as the goal, to achieve quadrotors hardware and software design, detailed work is divided into three parts:

1. Learn the dynamics model of the quadrotors, understand the Euler angle representation of the aircraft's attitude, the representation of the quaternion, the angular velocity, the relationship between the Euler angle and the quaternion.

2. Complete the quadrotors' overall hardware circuit design, complete the module driver design. The overall circuit mainly includes STM32 minimum system module, MPU6500 sensor module, power module, motor and motor control module and wireless communication module. The driver mainly includes SPI communication, MPU6500 read and write, wireless communication, motor PWM control and so on.

3. Using the complementary filtering algorithm to realize the sensor data filtering and attitude calculation of the four rotorcraft, the PID control algorithm is used to control the attitude of the four rotorcraft.

Key words: quadrotors；dynamic model；MPU6500；complementary filter algorithm；PID control algorithm

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文的研究内容和组织结构 3

第2章 四旋翼飞行器的理论 4

2.1 欧拉角 4

2.2 四元数 5

2.3 欧拉角与四元数的转换 5

2.3.1 四元数转换为欧拉角 5

2.3.2 欧拉角转换为四元数 6

2.4 四旋翼飞行器姿态控制 7

2.5 本章小结 9

第3章 硬件电路设计 10

3.1 总体电路 10

3.2 STM32最小系统 10

3.3 电源模块 11

3.4 MPU6500模块 12

3.5 电机驱动模块 13

3.6 串口通信模块 13

3.7 无线通信模块 14

3.8 本章小结 14

第4章 系统软件设计 15

4.1 驱动程序 15

4.1.1 串口初始化 15

4.1.2 遥控器PWM信号捕获 15

4.1.3 电机PWM控制输出 16

4.1.4 MPU6500初始化及读写 17

4.2 姿态解算算法 19

4.3 PID控制算法 21

4.4 调试结果 23

4.5 本章小结 24

第5章 总结与展望 25

5.1 总结 25

5.2 展望 25

参考文献 26

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

飞行器的发展过程中，无人飞行器一直是十分火热的研究方向，相较于需要驾驶员的飞行器，无人飞行器能够大大减少人员损失，并且简化了结构使得体积也明显减小，优秀的自主控制系统使得无人机的工作效率并不低于载人飞行器，甚至有所提高。这些优点使得无人飞行器发展迅速，并且出现了多种机型，包括固定翼无人机，直升机和旋翼型无人机。

在MEMS技术成熟之前，受控制器件与传感器的限制，飞行器大多体积庞大，无人飞行器设计上存在着许多阻碍。但是随着MEMS技术的出现，主控芯片与传感器都完成了高度集成化，体积与重量都大大缩小，新型电机也比传统油动机更容易控制，这些都让飞行器的小型化成为了可能，新型控制算法让四旋翼无人飞行器的实现创造了可能性。无人机正处于飞速发展的阶段，大学作为新型技术的良好发展地，国外很多大学的研究所都早早开展了四旋翼无人飞行器的研究，国内四旋翼的研究较晚，但是四旋翼无人飞行器的发展也很快，很多大学生竞赛中都能看到相关飞行器的出现，国内一些公司也开展了四旋翼飞行器的研究。^[6]