论文总字数：20694字

摘 要

四旋翼无人机就是在机架上固定了四个无刷电机,通过控制四个电机的转速来实现各种飞行动作的飞行器。相对传统的飞行器其具有灵活度高、控制简单、维护方便、成本低等优势。但是，其控制方法和飞行姿态检测技术仍有很大的提升空间。

本设计采用目前相对成熟的嵌入式技术和多传感器融合技术，以四旋翼飞行器为测量平台，以STM32F407为主控制器，搭载MS5611、MPU9250、GPS模块、无线传输模块,实现了对四旋翼飞行器的高度、姿态角、位置等数据的采集。使用LabVIEW设计了监测平台，可以实时接收并查看飞行器姿态数据，通过3D动态模型实时显示飞行器当前姿态，成功实现了对数据的分析和存储。

关键词：四旋翼 STM32 多传感器融合 姿态解算 LabVIEW

The design of attitude detection system quadrotor

Abstract

Quadrotor is actually fixed four brushless motors on the rack, by controlling the rotation speed of the four motors to achieve up and down, left and right, before and after, yaw and other flight operations. Relatively traditional aircraft in terms of its flexibility, control is simple, easy maintenance, low cost. But its control methods and flight attitude detection technology is still a lot of room for improvement.

This design uses the embedded technology and multi sensor fusion technology, the quadrotor for measuring platform, with STM32F407 as the main controller, equipped with MS5611 sensor, MPU9250 sensor, GPS module, wireless module to obtain the altitude, attitude angle, position and attitude data . The aircraft attitude monitoring platform is designed by using LabVIEW, which can receive and view the attitude data in real time, and display the current posture of the aircraft in real-time by 3D dynamic model, and analyze and store the data.

Keywords: Quadrotor；STM32；Multi-sensor fusion；Attitude detection；LabVIEW

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 研究内容和目标 3

1.4 论文结构安排 3

第二章 姿态检测原理 5

2.1 四旋翼飞行器硬件组成 5

2.2 飞行器飞行原理 5

2.3 飞行器坐标系统 8

2.3.1 地理坐标系 8

2.3.2 机体坐标系 8

2.4 姿态解算原理 8

2.5 四元数算法分析 10

2.5.1 四元数定义 10

2.5.2 四元数的应用 10

第三章 系统硬件设计 12

3.1 系统整体方案设计 12

3.2 系统硬件设计 12

3.2.1 主控单元设计 13

3.2.2 数据采集单元设计 15

3.2.3 数据传输单元设计 17

第四章 系统软件设计 19

4.1 系统软件设计结构 19

4.2 系统程序设计 19

4.2.1 系统程序设计流程 19

4.2.2 MPU9250程序设计 20

4.2.3 MS5611程序设计 21

4.2.4 GPS模块程序设计 24

4.3 姿态监测软件设计 25

4.3.1 姿态监测软件设计 25

4.3.2 姿态监测软件设计流程 26

4.3.3 串口通信程序设计 27

4.3.4 3D控件程序设计 28

4.3.5 WebBrowser程序设计 29

第五章 系统性能测试 32

5.1 系统性能测试 32

5.1.1 姿态数据检验 32

5.1.2 3D演示功能测试 34

5.1.3 地图定位功能测试 35

5.2 系统存在问题及改进方法 36

结 语 37

参考文献 38

致谢 39

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

近年来随着微机电系统传感器、集成电路、电机、材料、嵌入式系统技术等学科的进步及技术的普及使得四旋翼无人机有了长足的发展并一举成为航模界的新起之秀。四旋翼无人机相比传统的航模来说具有飞行空间灵活、结构简单、成本低、环境适应能力强、技术简单、稳定性高等特点使得其在农业、工业、军事等方面占据了较为广阔的应用市场比如航空拍摄、火灾现场侦查、军事侦查、追捕目标、低空快递以及高端玩具等。

虽然近年来四旋翼无人机有了很大的发展，但是就目前状况而言四旋翼飞行器姿态检测、飞行控制、结构成本等方面仍有很大的发展空间。无论是机体设计、控制算法、解算算法还是传感器精度都是需要随着科技的进步而进行不断优化的以达到低成本、高稳定性，技术简单等目标，使四旋翼飞行器在其应用领域更完美的发挥其优势。本课题旨在设计一套基于嵌入式技术的多传感器融合姿态检测系统，能够得到更加精确的飞行姿态数据，从而使飞行器的控制更有效。它的研究将推动四旋翼整体控制方案的进步，推动四旋翼的发展以适应更加严格的应用环境。低成本、高性能的四旋翼飞行器的研究在带来四旋翼飞行器的巨大发展的同时也会产生相应的经济效益、社会效益以及推动相关科研项目的进步的动力，为我国的经济、社会、科技做出重要贡献^[1]。

1.2 国内外研究现状

20世纪初无人机飞行器开始出现在世人面前，从此人类的智慧开始进入到这片广阔的空域，飞行器的发明给人类的生产、生活方式带来了巨大的改变。在随后的100多年间，固定翼飞行器技术有了长足的发展，并大量使用在电力、石油、气象、军警等行业，但由于相关技术的限制等原因旋翼式飞行器几乎是止步不前。到了20世纪中叶时，由于传感器技术、集成电路以及相关算法等后备知识的进步，使四旋翼飞行器受到了国外一批相关研究团队的青睐，但直到21世纪初叶，由于微机电系统和嵌入式系统技术的进一步发展才使得四旋翼飞行器有了突破性的发展。相对于国外的发展来看国内四旋翼无人机发展相对较晚且关键技术不成熟^[1]。

1.2.1 国外研究现状

目前欧美等科技发达的国家在小型和超小型飞行器方面四旋翼飞行器已经替代直升机式无人机,成为无人机的主要研究方向。当前世界上对小型四旋翼的研究大体上可以分为三个方向：一是基于惯性导航的自主飞行控制，其典型研究代表是瑞士洛桑联邦科技学院，代表作OS4；二是基于视觉的自主飞行控制，其典型研究代表是宾西尼亚大学，代表作HMX4；三是自主飞行器系统方案，其典型研究代表是美国佐治亚理工大学，代表作CTMARS^[3]。

OS4是瑞士洛桑联邦科技学院研发的一款电动小型四轴飞行器。该项目以研究自主飞行控制算法和机构设计为重点，以实现在室内外环境中均可以自主飞行为目标。目前0S4Ⅱ可以做到在室内环境中基于惯导控制的自主悬停。0S4Ⅱ机身自重520g,配备有能提供30分钟自主飞行的230g锂电池，机身最大长度为72cm^[4]。

请支付后下载全文，论文总字数：20694字