摘 要

四轴飞行器是多旋翼飞行器家族中的一员，虽然体积小，但是几乎具备飞行器的所有优点，不仅具有很强的重复性、而且事故代价和造方面也极低，再应用前景方面具有很大的优势。在一些军事行动中，可以通过它来监视和侦查一些地面情况，从而得到一些重要的情报，这样就可以让许多特殊的任务得到执行，例如短距离空中支援和一些区域巡逻，在通信战、电子战、信息战等现代战争模式中，具有良好的应用。在民用方面上，四轴飞行器对于城市公共交通巡逻、对目标进行跟踪与灾后大范围搜救等诸多方面，可发挥重大作用。在工业方面上，在化工，煤矿井和一些特殊场所中，可以利用无人机体积小的特点来进行安全巡逻。四轴飞行器的运用是如此的广泛和重要，因此，对于四轴飞行器的研究在现实使用中具有很大的实用意义。

本文首先从四轴飞行器的设计实现原理进行研究，然后对其进行建立模型进行分析，然后根据模型进行相关控制器的设计。然后再到当代有关四轴的研究，当代研究中如何通过运用现代控制理论进行的研究方法对四轴进行相关的研究，以及通过该研究取得的突出成果。最后给出本设计中有关四轴的模型和控制器电路的设计流程。

课题从三个方面来对四轴飞行器进行设计，分别是机械设计结构以及飞行控制器的硬件设计和软件设计这三个方面。在本次课题中，我首先是对四轴飞行器的相关元器件进行选型，因为毕设题目中有要求“微型”二字，所以我在选择时，在保证不影响整体设计的情况下，尽可能的选择了体积较小的元器件。通过查阅相关资料和数据计算来确定飞行器机型整体大小后，我才开始进行硬件电路的设计。在设计好电路并检查原理图确定没有错误后，我着手开始PCB布局和布线设计。由于受限于飞行器体积较小，因此我选择PC板作为遥控器和飞行器的支撑。最后在编写飞控软件时，MPU6050的数据读取是通过编写初始化程序和读取数据函数来直接读取MPU6050寄存器。再通过四元数算法将读取的数据进行处理来得到欧拉角，最后根据欧拉角，电机的自控通过PID控制系统来实现。最终设计出来的微型四轴飞行控制器，经过上位机软件模拟仿真测试，可以实现控制飞行器启动与停止、左右转弯、左右飞行、前后飞行、加减速飞行这类基本操作，其目标功能基本可以实现，但仍存在反应缓慢、转弯幅度小、扇叶最高转速不够快等问题，希望以后有条件可以再进行更深入的研究来解决这些问题。

关键词：51单片机；四轴飞行器；飞行器控制器

目 录

第1章 绪论…………………………………………………………………………..…….…1

1.1本文研究背景及意义………………………………………………………….…….1

1.2研究目的及意义………………………………………………………………..........1

1.3本文主要内容…………………………………………………………….……….....3

第2章 机械结构介绍……………………………………………………………….…....…..4

2.1元器件选择……………………………………………………………….……….....4

2.2电机……………………………………………………………………………….….5

第3章 硬件设计……………………………………………………………………….......…7

3.1概述…………………………………………………………………….………....….7

3.2遥控部分的设计………………………………………………….……………....….7

3.3四旋翼电路的设计…………………………………………………….………..….11

第4章软件设计……………………………………………………………..……....….……14

4.1 软件设计的概述…………………………………………………………….……..14

4.2 遥控器软件的设计……………………………………………………...…………14

4.3 四旋翼端程序设计………………………………………………………..…….…15

4.3.1 MPU6050数据读取与数据的融合…………………………….…….……..15

4.3.2 PID算法……………….………………………………………..………….17

第5章测试结果………………………………………………………………….…….….....21

5.1上位机软件…....……….….…………………………………………………..........21

5.2通信的实现…....……….….…………………………………………………..........21

5.3软件的现象….…....…..………….………………………………………......……..21

结束语…………….….………………………………………………………….......………..24

致谢…………….….………………………………………………………….......………......26

参考文献…………….….…….…………………………………....………….…….….....….27

第1章 绪论

1.1本文研究背景及其意义

四轴飞行器是多旋翼飞行器中的一种，它可以适应很多场景。其具有很好的悬停性能，易于控制，对操作者的要求也不高，在民用和军事领域都有广泛的应用前景，因此对于四轴飞行器的研究具有重大的现实意义。

当今生活节奏的不断加快，人们对产品的便携性和方便使用性要求越来越大。在使用方便这个需求之下，四轴飞行器也因此多配置控制终端即遥控器。第一代遥控器由Robert Adler在五十年代发明。随着科技的不断发展，索尼在2007年首先采用新型RF射频遥控器。射频是一种高频交流变化电磁波，RF射频遥控器利用该电波直向传播性较小的特点，可以不需要特地指向受控端即可实现无线信号的传输，本次毕业设计中的控制终端便可归为一种射频遥控器。

小型四旋翼飞行器具有简单的机械结构，我们只需要改变四个旋翼的动力转速就可以实现对无人机的基本动作的控制。这就使得小型四旋翼飞行器在操控方面具有很强的便捷性。除此之外，小型四旋翼飞行器在小区域范围内可以完成无人机的基本动作的能力，为自动控制理论和计算机控制理论等多学科交叉融合拥有了一个简单而使用的平台。

本设计主要目的为设计一种微型四轴飞行控制器。通过单片机对遥控信号的识别来操控四旋翼的电极的速度和转向的控制，进而实现飞行机的一些基本动作，诸如 加速，减速速度变化和升降，前后左右各方面移动等位置变化。研究的内容包含力学，电机，和微型计算机控制多方面的知识。研究方法是先建立飞行器的模型，然后根据模型编写相关算法，通过仿真软件仿真在该算法的作用下飞行器的飞行姿态，对设计进行实际验证。设计的内容主要实现以下两个方面：实现飞行器启停、加减速速度变化和前进后退，左右侧飞以及左右转位置变化；利用红外遥控技术对飞行器进行远程遥控。

1.2国内外研究发展状况

四轴飞行器在无人飞行器家族中是极其重要的一员，也被称为智能机器人，四轴飞行器的动力来源是四个旋翼，这也就是四轴的名称由来。现如今，四轴飞行器应用非常广泛，不仅在军用领域都已经广泛涉及，而且在民用和商用方面也逐渐开始涉及。通过现代控制技术的运用和现代控制理论的不断发展和相互融合，将飞行控制器中的油动力引擎用电机来代替，研究设计出新的四轴飞行器。如今的四轴飞行器中，飞行器可以只通过反扭矩作用来对扭矩的平衡来实现，已经不需要在飞行器中添加专门的反扭矩桨。

在无人机相关研究中，研究重点之一就是如何对四轴飞行器的飞行控制技术深入研究。在对四轴飞行器的飞行控制技术的研究过程中，对小型无人机的研究和设计有了很多的新的思路和创新设计。针对四轴飞行器的研究，当今对该方面的研究在国内外都处于不断飞速发展的阶段。MEMS(微型电子机械系统）的不断发展和纳米技术和制造业的飞速发展，将不断促进无人机越来越实用化。从目前来看，在四轴飞行器的相关研究中仍然还有着许多亟需解决的技术难题，而且对于一些复杂的问题，现在也很难找到合适的解决方法。所以，我们只能不断通过已有的技术通过创新的手段来不断对问题进行解决。这种思路可以使得小型无人机方面的研究能够不断前进。四轴飞行器具有十分广阔的研究领域，随着研究的不断深入，其研究范畴还在继续扩大。本次课题的目的之一，即是对其中存在的部分技术问题进行探索性的研究工作。