摘 要

四轴飞行器作为无人机中特殊的一种，以其较小的体积、简单的结构、较低的成本、机动灵活且可悬停等特点，不论是在军事还是民用领域都有巨大的应用前景，是目前无人机领域研究热点之一。

本文对四轴飞行器的主要硬件：传感器、电机、电源、连接电路、遥控通信模块、控制芯片等进行了选型和设计，完成了飞行器的硬件搭建；设计了控制算法，实现了四轴飞行器平稳飞行、改变航向角、悬停、前后左右机动飞行等功能；完成了上位机软件开发，实现了从上位机观察飞行器实时状态的功能。

实际飞行测试结果表明，设计的四轴飞行器系统工作正常，飞行控制灵活准确，飞行状态可在上位机实时观察，实现了设计目标。

关键词：四轴飞行器；GUI上位机；姿态控制；

Abstract

Quadcopter aircraft as a special kind of UAV, with its smaller size, simple structure, low cost, flexible and hovering ability and other features, both in the military or civilian areas have a huge application prospects, is one of the hot spots in the field of unmanned aerial vehicles.

In this paper, the main hardware of the four-axis aircraft: sensor, motor, power supply, connecting module, remote control communication module, control chip and so on are selected and designed to complete the hardware construction of the aircraft; designed the control algorithm to achieve the features of smooth flight, change the heading angle, hover, flexible flight and other functions. Also, completed the host computer software development, so the operator could observe the real-time status of the aircraft from the host computer.

Key Words：Quadcopter, GUI host computer; Attitude control;

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 四轴飞行器的研究现状 2

1.3 论文章节安排 3

第2章 四轴飞行器的硬件方案设计 4

2.1 四轴飞行器硬件组成概述 4

2.2 四轴飞行器部分硬件介绍及选型 4

2.2.1 无刷直流电机 4

2.2.2 电子调速器（电调） 5

2.2.3 无线串口传输模块 5

2.2.4 遥控器及接收机 6

2.2.5 STM32F407 6

2.3 系统设计框图 7

2.4 机身焊接与组装 7

第3章 姿态控制传感器与原理介绍 9

3.1 运动处理传感器MPU6050 9

3.1.1 陀螺仪传感器 9

3.1.2 加速度计 9

3.2 三轴磁场传感器 9

3.3 姿态控制原理 10

第4章 遥控接收与控制算法设计 11

4.1 遥控PPM接收 11

4.2 悬停算法分析 12

4.3飞控软件实现 13

4.4 PID调试过程 15

4.5实际飞行调试经验 15

第5章 上位机显示程序设计 17

第6章 总结 19

6.1 调试结果 19

6.2 结论 20

参考文献 21

附录A：元件清单 22

附录B：电路原理图（附件）

附录C：程序清单（附件）

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

四轴飞行器（Quadcopter）属于无人机（UAV）的一种，一般指的是机上无人驾驶、具有一定自主能力的远程遥控航空器。这是一种集合了传感器技术、自动控制技术、实时操作系统、高频无线通信技术、新型材料技术、动力技术等的复杂机器系统。顺应时代所需，无人飞行器技术正在向着高度集成、智能化和高可靠性的方向发展。

由于早期的科技水平所限，无人机技术的发展曾一度止步不前。在1980年代以后，无人机技术得到了飞速发展，除军事领域的应用，无人机在民用领域，例如大气观测、空中航拍、灾情信息收集等方面的应用也日益广泛^[1]。

无人机的种类大致可分为固定翼、旋翼和扑翼飞行器和一些非常见机型，其中又以固定翼和多旋翼机型占据大部分市场。它们各自的结构特点以及性能有很大的不同。其中机动性的差别最大：由于固定翼飞行器的机翼是固定的，因此其虽然能获得较大的速度和较长的续航，但在有限的空间中的转向性能较差，而旋翼类飞行器的动力输出结构能很好的弥补这一点。当然，旋翼类飞行器也有一些不足，在滞空能力上与固定翼飞行器相比，由于是一直使用电机带动旋翼产生向下的升力，而不是通过前进的速度产生升力，因此在航行半径、速度和时间上必然会有所不及。传统的固定翼一般至少需要一个主力发动机以及多个舵机，在动力故障发生时，可以通过滑行来降低下降的速度，减少损失。而对称布局的旋翼类飞行器由于至少需要四个动力输出电机同时进行工作，其中任何一个电机的故障带来的后果都是致命的。当然，目前的产品质量使其故障率较低使其依然得到了广泛应用。另一个解决方式是使用六轴以上的方案，至少一个电机的冗余使其在故障发生时只需加大邻近电机的输出即可保持平衡。

四轴飞行器（Quadcopter）作为旋翼类飞行器的重要一员，拥有良好的悬停、转向、抗风力干扰和控制速度的能力。其顾名思义是拥有四个旋翼的飞行器，在结构上，其一般有“X型”或“十字型”的中心对称结构，带有四个独立电机负责驱动。然而这就带来了控制上的难题，其具有六个方向的自由度，但控制的力仅有机架轴臂端点的四个电机带动旋翼产生，并且这四个力位于同一平面、方向相同。从控制的角度来说，其是一种欠驱动、强耦合、多变量、非线性且受干扰较大的复杂系统，因此要实现它的闭环稳定控制是主要问题所在。在控制执行流程中，需要调整电调输出实时控制四个旋翼的转速，使四轴飞行器完成各种飞行动作，如：垂直起降、改变航向角、低速飞行、悬停等。

由于四轴飞行器在机动灵活性等方面较其它类型飞行器的优势，因此是领域中常年的研究热点。而实现一个四轴飞行器测控系统，能够实时观测到飞行器当前的状态，对于数据的收集分析和进一步的研究有很大意义。

1.2 四轴飞行器的研究现状