I 无人机半物理仿真设计开发 摘
要 在如今微机电系统 MEMS（Microelectro Mechanical Systems）传感器、空心杯电机、各类单片机加上锂电池技术的发展下，四旋翼飞行器无可厚非可以称之为航模界的新星。飞行器是在接受到信号（这里指遥控器发送的信号）后把所接受到的信号经过处理后，然后应用到电机转速的控制上，这样就可以控制飞行器的动作。本文首先对无人飞行器的飞行原理进行介绍，然后对四旋翼无人机进行分析飞行控制原理的步骤,其次姿态算法的解算包括最终目标的实现以及系统软件各方面系统的实现。根据这些原理设计出飞行器的外形轮廓，通过对比不同的方案，选择更加便捷的方案，对飞行器硬件电路板进行编排（这里包括控制电路板和遥控器电路板），从而制作出一台可实际操作的样机。在本次设计中控制系统是以 STM32F103C8 单片机为核心，在各个传感器的特点的基础下，比较并校正传感器数据，再通过数字滤波处理，在设计中运用到了互补滤波器对姿态进行最优预算，姿态测量的实现的精确程度对实际飞行中影响很大。最后对四旋翼无人机进行了大量调试、对比和改进优秀算法，最终获得一个预想的飞行控制效果。
关键词：飞行原理
姿态传感器
STM32 微型处理器
PID
II Abstract With the development of MEMS (Microelectro Mechanical Systems) sensor, hollow cup motor, all kinds of singlechip and lithium battery technology, the four rotor aircraft can not be called the new star of the aircraft model world. The aircraft is used to control the speed of the motor after receiving the signal (the signal sent by the remote control) and then applying it to the control of the motor speed, so that the maneuvers of the aircraft can be controlled.In this paper, the flight principle of UAV is introduced first, and then the steps of the flight control principle of the four rotor unmanned aerial vehicle (UAV), the calculation of the next attitude algorithm, the realization of the final target and the system of the system software are realized. According to these principles, the outline of the aircraft is designed. By comparing different schemes, a more suitable or more convenient scheme is chosen to arrange the hardware circuit board of the aircraft (including the control circuit board and the remote control circuit board),the control system is based on the STM32F103C8 single chip microcomputer. On the basis of the characteristics of each sensor, the sensor data is compared and corrected, and then digital filtering is used. In the design, the complementary filter is applied to the optimal budget of the attitude. It sounds very loud. Finally,
comparing and improving the excellent algorithm of the four rotor UAV were carried out, and finally a desired flight control effect was obtained. Key Words ：Flight principle； MEMS Sensor； STM32 Processor； PID
III 目
录
1. 绪论
.................................................................................................................................................. 5 1.1 研究背景及意义 ............................................ 6 1.2 国内外研究现状 ............................................ 6 1.3 本论文研究内容和方法 ...................................... 8
2. 四旋翼无人机的工作原理
.................................................................................................. 9 2.1 四旋翼无人机的飞行原理 .......................................................................... 9 2.2 四旋翼无人机姿态表示 ............................................................................ 10 2.3 四旋翼飞行器的机体结构 ........................................................................ 13
3. 四旋翼飞行器硬件设计
..................................................................................................... 15 3.1 四旋翼飞行器系统框图 ............................................................................ 15 3.2 传感器 ........................................................................................................ 16
4 . 四旋翼飞行器控制方案设计
......................................................................................... 20 4.1 姿态解算 .................................................................................................... 20 4.2 姿态控制 .................................................................................................... 23
5. 四旋翼飞行器系统软件设计
........................................................................................ 27 5.1 系统框架 .................................................................................................... 27 5.2 程序结构与流程 ........................................................................................ 28 5.3 信息采集与处理 ........................................................................................ 29 5.4 通信实现 .................................................................................................... 31
6. 调试分析
..................................................................................................................................... 32 6.1 姿态解算测试 ............................................................................................ 32 6.2 姿态控制测试 ............................................................................................ 32 6.3 MPU6050 传感器测量调试 ....................................................................... 33 6.4 实际飞行试验 ............................................................................................ 34
总结与展望
.................................................................................................................................... 34 总结 .................................................................................................................. 34 展望 .................................................................................................................. 35
致谢
..................................................................................................................................................... 35 参考文献
.......................................................................................................................................... 35 附录 A
遥控器结构图 .................................................................................. 36 附录 B
遥控器电路图................................................................................... 39
IV 传感器和飞行控制板电路图 .......................................................................... 39 附录 C
程序代码......................................................................................... 41
1. 绪论 1.1 研究背景及意义 四轴无人机是一种新型的依靠四个旋翼飞行的无人机。四轴飞行器继承了直升机所有优势，能够垂直升降、空中悬停，并且还有结构简单、操纵方便的优点，而且具有相当高的灵活性。四轴飞行器在如今也是飞速发展，融入了当今社会的方方面面。随着现代科学技术高速发展，军事装备也在不断进化，而四轴无人机因为有着很多优势，在军事领域也是如鱼得水、大放异彩。士兵能够简单的操控无人机对战场、地形、敌人的状况进行近距离、全方位的勘察，还可以用作通信联系工具或者指示目标机，甚至可以搭载弹药执行特殊任务。比如去年大火的电影《战狼 2》和今年票房超高的《红海行动》，在这两部电影中，四轴无人机的身影多次出现，并且在战场中取得了极大的打击力、影响力，虽然是电影中的场景，但是在实际用途中也不会逊色电影中分毫。在民用中，四轴无人机的表现也很出色。例如如今火热异常的航拍，可以深入很多奇险陡坡之地拍摄到精美绝伦的景色。如果在四轴无人机上搭载各种传感器，更是如虎添翼，如探测强辐射区、高污染地区，可以轻松完成，大大的降低了人生财产风险，解放了劳动力。
而且近年来，研究无人机的人员越来越多，四轴的飞控算法也是越来越多样化、具体化，稳定性得到了极大地提高。同时，电子元器件、集成电路、传感器的发展也在一定程度上促进了四轴无人机的发展，现在的四轴无人机可以做到轻、小、快，而且性能更加优异。在这些种种因素的推动下，四轴飞行器的发展前途广阔无边，而对于四轴飞行器的研究也具有重大的实用意义。MEMS 传感器、空心杯电机、单片机和锂电池技术的研发，四旋翼无人机的钻研情况在现如今已经被重视起来。四旋翼无人机是一种不同寻常的飞行器，不同于固定翼飞行器的是四旋翼无人机结构和控制非常简单，提供其所需动力的来源为四个旋翼式飞行引擎，轻松做到垂直起飞、降落，制作成本低，机体的稳定性强，简洁的操作指令，所以能够在日常和军事中起到很广泛的应用。由于其机体小，行动迅速，从而可以替代人去做一些危险的工作，比如强辐射、高低温、有毒有害气体笼罩的区域等等，这将大大提高工作效率并增加人员的安全系数。四旋翼飞行器当然不会是就上述而言的这么简单，我们所不能忽视的是它所需要的知识面涉及范围相当之广，机体结构的整体设计、各个传感器的用法以及滤波的算法、控制系统硬软件的设计等等这一切都离不开大量的理论的支持。本次设计其专注点在于飞行器姿态控制系统的探究，为四旋翼飞行器在维护地球环境、预防以及处理天然或人造灾害、军用侦查等日常和军用范畴实现产业化作出奉献，
6 所以这项研究有很重大的意义。
1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外四旋翼飞行器的研究现状 就国外无人机的消费途经而言主要离不开这 4 点：娱乐、个人研究用的非商业性的二次开发、商业二次开发、商业航拍。我们就国家专利优先权的角度来看，处于前三位的分别是美国、日本和中国。美国在无人机技术上当之无愧的领导者，40%的总专利申请数占比，Draganflyer 公司研发出来的四旋翼无人机被称为美国最具代表性的无人机，如图 1.1所示。这种无人机的制作材料是超轻质的碳纤材料，具有相对而言比较高的载重能力，能够携带高清摄像机，航拍是其主要的使用定位。另外还有 Parrot 公司的 AP.Drone 无人机也让人映象深刻，如图 1.2 所示。AP.Drone 可以用手机进行远程操控，其配备 MEMS 高精度姿态传感器，并且使用多种传感器外加摄像头，使得该无人机能够轻松的进行飞行任务。
美国在无人机领域可谓是优势明显，不过欧洲日本的专利优势也值得我们重视，比如德国的 MicroDrones 公司的 MD4-200 型号的无人机。该款无人机相比美国的两种无人机而言，也具有超轻的材质，强负载能力，关键的是该款飞行器非常省电。
图 1.1
DraganflyerX4 四旋翼飞行器
图 1.2
AR.Drone 飞行器
1.2.2 国内研究现状
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图 1.5
大疆四旋翼飞行器
中国作为无人机领域的新生力量，在专利申请数量上虽不及美国但是整体趋势上升明显。如今在国内，四旋翼无人机已经形成逐渐壮大形成产业化。大疆是目前消费级无人机表现最佳的公司。如图 1.5
目前四旋翼无人机的研究主要在于姿态控制、传感器技术、电机和电池的发展、GPS的发展、无限传输模块的发展。这其中姿态控制是最重要的基础，但是其难度也相当的大，需要数学建模以及控制算法和滤波算法。传感器技术需要融合于一体的传感器模块，把加速计和陀螺仪处于集成一体的状态。对于电机而言，可分为无刷电机和有刷电机，主流选择为无刷电机，它的力量大并且耐用；无人机的续航问题尤其重要，所以说无人机目前最大的难题就是电池的储能的限制问题，如果能够解决电池问题，让无人机能够飞行超过 30分钟或更长时间，也将是无人机技术领域的一大突破。GPS 技术的发展在无人机导航系统方面可谓是得到的很好的应用，不需要担心无人机出故障后无法找回的问题，自主飞行...
