论文总字数：19354字

摘 要

根据所学知识和自学知识即课题要求设计出飞行器的机械结构，然后根据要求进行动力学建模，再进行PID控制，根据特点及数据得出PID控制参数。

之后设计基于Atmega644芯片设计的飞控系统，再根据课题要求及实际情况设计飞控系统的电源转换模块、传感器模块、电机控制模块、无线通信模块等部分。依照飞行器的飞行原理设计飞行器的飞行控制流程图，完成软硬件系统设计。

关键词：飞行器 动力学建模 控制 飞控系统

Designation and implementation of unmanned plane

Abstract

According to the knowledge and self-knowledge that is subject to design a mechanical structure of the aircraft, and then dynamics modeling as required, then PID control, PID control parameters obtained according to the characteristics and data.

After the design is based on Atmega644 chip design flight control system, according to part of the requirements of the subject and the actual design of flight control system power conversion modules, sensor modules, motor control module, wireless communication module. In accordance with the principles of flight aircraft design aircraft flight control flowchart, complete hardware and software system design.

Keyword：aircraft; dynamic modeling; control; flight control system

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景、目的和意义 1

1.1.1 课题背景 1

1.1.2 课题的研究目的 1

1.2 无人机的发展现状及发展趋势 2

1.2.1 无人机的现状及发展 2

1.3 本人的研究工作 4

第二章 无人机总体设计 5

2.1 飞行控制系统的机构 5

2.2 飞行控制系统的设计步驟 6

第三章 四旋翼飞行器的动力学模型及控制 7

3.1 四旋翼飞行器的动力模型 7

3.2 PID控制 11

3.2.1 PID细解 11

3.2.2 PID控制方法 12

第四章 四旋翼飞行器飞行控制系统硬件设计与分析 15

4.1 控制系统硬件总体结构 15

4.2 中心控制模块 15

4.2.1 中心控制模块选用依据 15

4.2.2 ATmega644 微控制器简介 15

4.3 传感器模块 16

4.3.1 加速度计 18

4.3.2 角速率陀螺仪 19

4.3.3 传感器模块电路设计 20

4.4 电机控制模块 20

4.4.1 控制信号传输 21

4.4.2 电子调速器 22

4.5 无线通信模块 22

4.6 电源模块 24

第五章 四旋翼飞行器控制系统的软件的设计与实现 27

5.1 飞行控制系统的软件总体设计 27

5.1.1 运动控制软件设计 27

5.1.2 飞行控制系统的软件总体结构 29

第六章 结论与展望 31

6.1 结论 31

6.2 展望 31

参考文献 32

致谢 34

绪论

1.1 课题背景、目的和意义

1.1.1 课题背景

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是通过无线电遥控设备和自带的程序操纵的无人飞行器。

四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机，国外又称Quadrotor，Four-rotor，4 rotors helicopter等，是一种通过调节四个电机转速来改变四个十字形交叉结构的旋翼的转速，实现推力的变化，进而调控飞行器的姿态和方位，如：飞行、悬停、转向等动作的飞行器。四个旋翼作为直接动力源，对称的分布在主体四个方向，且旋翼处于同一水平面，旋翼半径、规格都相同。因为飞行器是通过变换其旋翼转速达到推力变化，这样会致使其姿态不稳定不稳定，所以应需一种能够长时间保持平稳的控制办法。四旋翼飞行器的优点为螺旋桨小，飞行安全稳当、结构简单、控制灵活、负载能力强、垂直起降等。因此它的用途也非常广泛，在军事上可以进行一些侦查、监视、诱饵、通信中继等工作，在民用方面可以实现大气监测、交通监控、森林防火等功能^[1]。

1.1.2 课题的研究目的

本课题是通过所学知识设计无人机，此系统所包括的技术：PID控制控制算法，仿真模拟软件。

1.1.3 课题的研究意义

四旋翼飞行器的飞行控制控制技术是无人机研究的重点之一，它使用了直接力矩，实现六自由度的位置与姿态控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特点^[2]。而且因为飞行器在飞行过程中环境是相对开放的，所以极易受到风等外界因素的干扰，模型的精准性和传感器精准度也会对控制器系统造成影响。因此飞行器体态的控制是整个飞控系统设计的重点。体积较小的四旋翼飞行器的姿态直接受到所处环境的影响。所以，设计出既能平稳控制飞行器姿态又具有较强的抗干扰能力的飞行器控制系统就是研究的关键。

1.2 无人机的发展现状及发展趋势

1.2.1 无人机的现状及发展

从国外无人机的发展来看，无人机的研发工作得到了很多国家的高度关注，全世界范围内约有30多个国家和地区开展无人机的研究工作，有50多个国家装备了无人机，全球已有10多万架无人机。无人机以其平台特有的能力成为了牵引21世纪航空科技发展的核心力量。无人机的飞行高度涵盖了从低空到20000米以上，航程从短程到5000千米以上。

随着无人机越来越受到重视，其承担的任务种类越来越多，从最初的靶机、侦察机、通信联络机等辅助性作战任务到从执行空中侦察、战场监视到压制敌方防空系统、对地攻击等主要任务，实现侦察/打击/攻击一体化，所发挥的作用越来越大。未来无人机发展主要沿着“靶机—ISR—察打一体化—无人作战飞机—空天一体化”的轨迹发展^[3]。

从国外无人机的发展特点来看，未来无人机发展将会有以下四个发展趋势：

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