摘 要

四旋翼无人机具有使用灵活、体积小、成本低等特点，是无人机发展的主要类型之一，其发展涉及机械结构、飞行动力学、自动控制、电子等多个方面，在商业、军事、服务业有很大的反战前景。
本论文设计的四旋翼无人机，基于STM32系列的单片机作为主控制器、6轴姿态传感器MPU6050采集飞行器运动中的加速度和偏转角速度、USB转串口芯片采用的是CP2104、TP4056为锂电池提供4.2V的充电电压，并且充电电流可控、采用内部的通用定时器接口来实现遥控输入PWM波形的捕获功能和输出PWM波形控制电机的运转速度，设计了串口通信的配置，实现飞控板与上位机的连通、传感器数据的读取，并采用捷联导航控制方法解算当前姿态，并以欧拉角的形式输出、配置定时器实现输入捕获和PWM波形输出的功能、应用数字PID控制器计算遥控器输入的期望姿态与当前飞行器姿态的偏差，计算输出PWM波形的占空比，从而来调整四个旋翼的旋转速率实现四轴飞行器6个自由度的飞行状态。


关键词：四旋翼；捷联导航；PID 控制；STM32控制器

Abstract

Quad-rotor UAV having a flexible, small size, low cost, is one of the main types of UAV development, its development involves a number of aspects of mechanical structure, flight dynamics, automatic control, electronics, business, military, service industry has great anti-war prospects.
In this paper, the development of four-rotor based STM32 series microcontroller as the main controller, 6-axis attitude sensor MPU6050 acquisition vehicle movement acceleration and yaw angular velocity, electronic compass HMC5663L acquisition of the magnetic fields, USB to serial chip is CP2104, TP4056 is lithium batteries charging voltage of 4.2V, and the charging current is controlled using an internal timer interface to achieve universal remote control input PWM waveform capture function and output PWM waveform control the operating speed of the motor is designed to configure serial communication, achieve fly communication, sensor data read control panels and PC, and using SINS attitude control method for solving the current, and output in the form of Euler angles, configure timer, input capture and PWM waveform output function, using digital PID controller calculates the remote control input of the desired attitude and bias current spacecraft attitude calculated output duty cycle of the PWM waveform, thereby to adjust the rate of rotation of the rotor to achieve four four-axis aircraft 6 DOF flight status.

Keywords:Four-rotor; SINS; PID controller;STM32 controller

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外四旋翼研究历史及现状 1

1.3 本论文主要研究内容和章节安排 5

第二章 四旋翼的基本机构与原理 7

2.1 四旋翼的基本结构 7

2.2 四旋翼的工作原理 9

2.2.1 旋翼螺旋桨动力学特性 10

2.2.2 四旋翼飞行器的运动原理 11

2.3 本章总结 13

第三章 四旋翼的控制原理 14

3.1 捷联导航技术 14

3.1.1 坐标系的建立 14

3.1.2 捷联姿态表达式 16

3.1.3 捷联姿态解算 19

3.2 PID控制器 21

3.2.1 PID控制器简介 21

3.2.2 数字PID控制原理 23

3.2.3 PID参数整定方法 25

3.3 本章总结 26

第四章 四旋翼硬件设计 27

4.1 四旋翼硬件系统总体设计框图 27

4.2 四旋翼硬件电路设计 28

4.2.1 MEMS传感器模块设计 28

4.2.2 通信模块设计 32

4.2.3 遥控接收机模块设计 33

4.2.4 电机驱动电路设计 34

4.2.5 主控制器电路设计 35

4.2.6 电源部分设计 36

4.3 本章总结 38

第五章 四旋翼固件程序设计 39

5.1 四旋翼程序总体流程图 39

5.2 MEMS传感器数据读取 40

5.2.1 IIC协议简介 40

5.2.2 MPU6050数据的读取 41

5.3 接收机解码及电机驱动程序设计 43

5.3.1 PWM输出 43

5.3.2 PPM解码 44

5.4 本章总结 45

第六章 四旋翼的调试和试飞 46

6.1 芯片的焊接 46

6.2 飞行器的调试 46

第七章 总结与展望 47

7.1 总结 47

7.2 展望 47

参考文献 48

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

四旋翼无人机是无人飞行器中的一种，由于其结构简单，控制方式便捷，各方面的技术具有前沿性，所以有一定的研究意义。所谓无人飞行器就是指具备自主导航或者能够实现远程控制的飞行器，根据旋翼类型又主要包括固定翼和旋转翼两种飞行器。由于旋转翼它本身的结构紧凑、不需要很长的起飞面积、可垂直升降、悬浮等特点，广泛应用于民用和军用领域。
在民用方面它主要可应用在：高空建筑检测、化学区域探测、地铁内部线路检查、广告投放、交通监管等等。如有些公司已经有利用四轴进行一些航拍，来满足摄影爱好者或者其他机构的要求；也有利用四轴来做为游戏开发的；同时也有利用四轴来是现实物流等功能。军用方面：远程高空探测、电磁干扰、危险区域救助、战区小范围监控等。
四旋翼无人机是当今多旋翼飞行器中研究最为广泛的，有众多科研机构和商业公司都在研究。其中四轴飞行器所涉及到的技术包含有：机械结构、飞行动力学、自动控制、电子等多个方面，而且在商业方面也有很大的前景。通过自己设计一个四轴飞行器，不但可以学习多方面的知识，同时在制作的过程中，也可以锻炼自己的能力，更好的运用知识，对后期的工作也有很大的帮助。

1.2 国内外四旋翼研究历史及现状

早在1907年，世界上第一架的旋翼式直升机Gypoplane NO.1，也即是“旋翼机1号”是由Richet教授协助Breguet兄弟共同制造出来。Gypoplane NO.1的结构如图1.1和图1.2所示，它的四个旋翼由类似于梯子样的钢管直接焊接而组成的架子支撑，所以可以想象当时机身的重量很大。它的四个旋翼采用十字交叉分布而成，这样可以很好的抵消各个旋翼旋转所产生的扭力矩^[1,2]。

图1.1 第一架四轴结构图