基于单片机微型四旋翼飞行器设计毕业论文设计

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[摘要] 本文对微型四旋翼飞行器自平衡算法进行研究，详细分析了应用互补滤波器，进行信号处理的思路和参数整定过程，应用滤波后的数据，进行飞行器姿态角度融合，解算出飞行器实时的俯仰角、翻滚角、偏航角。在解算出飞行姿态角度的基础上应用PID算法控制四旋翼飞行器进行自平衡悬停及相关的运动姿态控制。硬件上，采用STM32F103作为微控制器，以MPU6050作为四旋翼飞行器姿态传感器件，通过AO3402MOS管驱动四个空心杯电机改变飞行器姿态，设计结果是能准确测量飞行器姿态并将测量角度输出给相应坐标的电机，进行姿态调整。本文将从硬件、软件初始化、控制算法及调试等几个篇幅详细展示整个微型四旋翼飞行器的制作过程。

[关键词] 微型四旋翼飞行器；互补滤波算法；PD控制算法；STM32F103;自平衡

0 Abstract: This paper is a research about algorithm of Quadrotor Micro-aircraft Self-balancing. It will detailed analysis the idea about using Complementary filter deal with the digital signals and the basis of flying-Angle using PID algorithm controlling Quadrotor Micro-aircraft achieves the self-balancing control. Hardware uses STM32F103 as micro controller, with MPU6050 as attitude sensor of Quadrotor Micro-aircraft, through AO3402MOS tube driving four result can accurately measure spacecraft attitude and output the measuring Angle to the corresponding coordinates of the motor and realize the attitude adjustment. This article will show the whole production process of the Quadrotor Micro-aircraft in detail from the , control algorithm, debug and so on.

Key words: Micro four rotor aircraft;Complementary filter;PD control algorithm; STM32F103;

Self-balancing

1 目 录

1 绪 论 ................................................................................................................................. 1

1.1 本课题的研究意义及必要性 .................................................................................. 1 1.2 相关领域国内外研究现状及发展趋势 .................................................................. 1 1.3论文篇幅简介 ........................................................................................................... 3 2 四旋翼飞行器系统分析 ..................................................................................................... 4

2.1系统基本原理 ........................................................................................................... 4 2.2系统功能要求 ........................................................................................................... 5 2.3 系统可行性分析 ...................................................................................................... 5 3 四旋翼飞行器总体设计 ..................................................................................................... 7

3.1 功能模块划分 .......................................................................................................... 7 3.2 系统模块设计图 ...................................................................................................... 7 3.3 系统流程图 .............................................................................................................. 8 3.4 开发工具和开发框架介绍 ...................................................................................... 8

3.4.1 Altium Designer 6.9介绍 ............................................................................. 8 3.4.2 Keil for ARM介绍 ....................................................................................... 9 3.4.3 Serial_Digital_Scope V2介绍 ..................................................................... 9

4 四旋翼飞行器详细方案设计 ........................................................................................... 10

4.1 硬件模块的功能及设计 ........................................................................................ 10

4.1.1 最小系统板STM32F103模块 .................................................................. 10

4.1.2 低压差电源模块 ......................................................................................... 11 4.1.3 倾角传感器模块 ......................................................................................... 11 4.1.4 空心杯电机驱动模块 ................................................................................. 12 4.1.5 NRF24L01无线模块 .................................................................................. 12 4.2 驱动程序功能及设计 ............................................................................................ 13

4.2.1 最小系统板初始化 ..................................................................................... 13 4.2.2 MPU6050初始化 ........................................................................................ 13 4.2.3 NRF24L01初始化 ...................................................................................... 13 4.2.4 空心杯电机驱动初始化 ............................................................................. 14 5 四旋翼飞行器控制算法实现 ........................................................................................... 16 5.1角度及角速度数据处理算法 ................................................................................. 16

5.1.1 互补滤波器可行性分析 ............................................................................. 16 5.1.2 互补滤波器算法软件实现 ......................................................................... 17 5.2姿态控制算法 ......................................................................................................... 17

5.2.1 PID控制算法可行性分析 .......................................................................... 17 5.2.2 PID控制算法软件实现 .............................................................................. 18 5.2.3 多维度控制量输出融合算法 ..................................................................... 19

0 6 四旋翼飞行器综合调试 ................................................................................................... 20

6.1基本功能实现 ......................................................................................................... 20

6.1.1 姿态角度数据采集功能 ............................................................................. 20 6.1.2 四旋翼飞行器遥控功能 ............................................................................. 21 6.1.3 电机多维度矢量输出功能 ......................................................................... 21 6.2高级功能实现 ......................................................................................................... 22

6.2.1 姿态角度数据融合功能 ............................................................................. 22 6.2.2 四旋翼飞行器自平衡飞行功能 ................................................................. 23

结 束 语 ............................................................................................................................... 24 致 谢 ..................................................................................................................................... 25 参考文献 ............................................................................................................................... 26 附录A 部分代码 ................................................................................................................. 27

1 1 绪 论

1.1 本课题的研究意义及必要性

信息时代，微电子技术及惯性传感器件的不断进步，使自平衡算法实现成为可能。从地上跑的自平衡机器人到天上飞的无人飞行器都离不开这些微电子技术及惯性传感器。这些“飞禽走兽”在危险领域的作业的突出表现，备受各国专家学者的关注。从军用到民用，四旋翼飞行器由于其机械结构简单，制造成本低及简易的控制算法测试平台搭建，从而掀起了各个国家四旋翼飞行器爱好者的研究狂潮。国防军工事业离不开无人飞行器，四旋翼飞行器的优异性能使它在侦查、监视、跟踪等任务中独领风骚；现代农业，各式各样的四旋翼农药喷洒飞行器呼啸于各大农场的上空；四旋翼飞行器的研究，不仅具有学术研究意义，还有可观的经济现实意义，是学以致用的重要实践过程。

1.2 相关领域国内外研究现状及发展趋势

四旋翼飞行器广泛的应用范围和超高的实用价值促成了其在短时间成为热点，各国在四旋翼飞行器研究方面各有所长，以下是目前世界上比较出名的四旋翼飞行器研究成果：

(1) RC玩具公司Draganflyer飞行器

Draganflyer是玩具商业产品，系统集成了微控制器、无线遥控、三维度倾角传感器及角速度传感器，机身结构由轻质碳纤维及高密度尼龙搭建而成，Draganflyer X4-C

是RC公司目前在卖的产品，售价2995美元，该产品长和宽都是47cm，最高工作直径为71cm，高度为25cm，可携带不超过320g的重物，该产品主要应用于航拍，底

部加

装高清摄像头，如图1.1所示：

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