基于单片机微型四旋翼飞行器设计毕业论文设计(2)

(2) Stanford 的STARMAC测试平台

斯坦福大学在Drangonflyer平台上，重新设计控制系统，四轴飞行器上有：微型控制芯片，倾角测量单元，蓝牙通讯单元， GPS定位模块，超声测距模块。STARMAC能实现与上位机的通讯及相应的姿态预测、调整。该飞行器多次应用卡尔曼滤波器对采集信号进行滤波，采集的信号有倾角传感器的测量值、超声波测距模块的高度值及GPS模块的定位数据。应用卡尔曼滤波器能将飞行器真实的飞行姿态进行还原，从而提高系统的稳定性。Stanford的STAMAC平台如图1.2所示：

(3) 宾夕法尼亚大学大学的四轴飞行器 传遍全世界的TED视频，来自宾夕法尼亚大学的四轴飞行器依靠室内摄像头识别飞行器上标记球，完成各种飞行动作。经典的表演令人连连称赞，倒立摆模型及水杯支撑飞行，其稳定性都给人留下了深刻的印象。相关视频可以在优酷上的TED公开课视频中找到，此处给出飞行器图片，如图1.3所示：

(4) 开源的四旋翼飞行器

乐在开源，互联网上有一些设计者将飞行器项目共享在互联网上，吸引了大量的研究人员投入到开源的圈子里，在这样的资源共享世界里，四旋翼飞行器得到了极大的发展，由于论文篇幅有限，在此只列举几个较出名的开源四轴飞行器项目，它们分别有：KK四旋翼飞行器，德国的MK四轴飞行器，MWC四轴飞行器等。 四旋翼在未来，将变得更加的智能化，随着各种传感器的不断发展，四旋翼飞行器稳定性必将得到极大的提升，负重能力及续航能力都将大幅度提高。在未来，四旋翼飞行器将大量应用于国防、工业、农业等领域。智能时代，离不开这些智能化的产品。

1.3论文篇幅简介

本文共分为七部分，各个部分的内容简介如下： 第一部分：绪论

本部分主要阐述四旋翼飞行器课题的研究意义和必要性并追溯其发展渊源，同时还介绍四旋翼飞行器的应用现状和发展趋势。

第二部分：四旋翼飞行器系统分析 本部分对系统运动的基本原理进行分析并提出系统的功能要求，最后针对核心控制算法的可行性进行分析。

第三部分：四旋翼飞行器总体方案设计

对四旋翼的功能模块进行划分并给出系统模块设计图及系统工作流程图，最后简单介绍本系统开发调试的平台工具。

第四部分：四旋翼飞行器详细方案设计

本部分从硬件和软件两部分分别阐述系统的详细设计方案。硬件方面有最小系统板、电源模块、倾角传感器、电机驱动、无线模块设计方案；软件方面有对应硬件模块的初始

化。

第五部分：四旋翼飞行器控制算法实现

本部分提出应用互补滤波器来处理角度、角速度数据的想法并分析互补滤波器在本模型中的可行性，最后附上互补滤波器的软件实现思路；运算出倾角后，提出应用PID来控制飞行器姿态的观点并分析可行性。最后给出多维度矢量输出的实现算法。

第六部分：四旋翼飞行器综合调试

该部分将展示四旋翼飞行器的基本功能实现和高级功能实现的效果。基本功能包括四旋翼飞行姿态角度信号结果，四旋翼飞行器无线遥控调试结果，电机多维度矢量输出调试结果；高级功能包括：姿态角度数据融合功能和飞行器自平衡功能实现结果。

第七部分：结束语 总结本次设计中的不足，提出相关的改进方案，总结本次毕业设计的收获，为后来人的研究提供些有用的建议。完成毕业设计后，对今后的工作、研究提出指导性展望。

最后对本次毕业设计给予笔者帮助的所有人员致谢。

2 四旋翼飞行器系统分析

2.1系统基本原理

作为无人飞行器研究的一重要分支，四旋翼飞行器因其简单的机械结构而备受瞩目，相对于庞大的无人机，四旋翼飞行器完美的机械结构更符合力学的各种定律。也不像直升飞机那样，需要设计一个消除反作用旋转扭矩的桨叶。如图2.1所示，四旋翼飞行器消除反作用旋转扭矩的功能与生俱来。

从图4可以看到，1、3号桨叶的逆时针旋转，反向扭矩的方向是顺时针方向，同理2、4号电机顺时针旋转，反力矩方向为逆时针，对角两组电机在旋转扭矩相等的情况下正好相互抵消。如此巧妙的机械结构在控制算法和节省能量方面大有裨益。系统无需提供额外的功率去抵消反作用旋转扭矩。

四旋翼飞行器可以实现多维度的运动姿态控制，最基本的姿态是自平衡悬停。悬停的稳定性是完成所有动作的基础。四旋翼的运动姿态可分为：悬停、上升、下降、俯仰、翻滚、偏航六个运动状态。

当四旋翼飞行器的四个电机输出的合升力大于其本身所受重力时，在无外力作用下，四旋翼能一直保持上升飞行，反之则下降。升力等于重力，四旋翼在悬停状态。这是Z轴方向的三个运动形态。

当四旋翼飞行器的X轴方向的两个电机输出升力存在偏差，飞行器处在俯仰飞行姿态，这是常用的沿X轴行进的思路，其倾斜角与水平X轴的夹角叫做俯仰角。

当四旋翼飞行器的Y轴方向的两个电机输出升力存在偏差，飞行器处在翻滚飞行姿态，这个常用的沿Y轴行进的思路，其倾斜角与水平Y轴的夹角叫做翻滚角。

当四旋翼飞行器沿Z轴旋转时，其转过的角度称之为偏航角，该姿态依靠对角两组电

机的反作用旋转扭矩失衡来实现偏航运动。

以上几种运动原理如图2.2所示：

2.2系统功能要求

基于互联网的开源资料，提出本系统的功能要求：系统分为基础功能和高级功能，基础功能包括：四旋翼飞行器姿态角度数据采集功能；四旋翼飞行遥控功能；四旋翼电机对维度矢量输出功能；高级功能包括：应用互补滤波器进行姿态角度融合功能；四旋翼飞行器自平衡飞行功能。

2.3 系统可行性分析

微电子技术及倾角传感技术的发展及高性能电机为四旋翼飞行器的搭建提供了硬件保证。在此基础上，仅需要对系统模型的控制模型进行分析即可得知系统设计是否可行。找到相应的数学模型，才能分析系统的可行性，站在巨人的肩膀上，建立了如下数学模型，如图4所示的机体坐标系A(oxyz)及空间惯性坐标系OXYZ，针对数学模型提出以下假设：

(1) 四旋翼飞行器是一个刚体，质地均匀且完全对称 (2) 质心与机体坐标原点重合 (3) 四轴飞行器桨叶不发生形变

(4) 四旋翼在各个维度的运动速度与四轴电机的输出呈线性关系 在此假设条件下，根据牛顿第二定律，四旋翼模型可以看成是转子旋转而产生空气动力的模型，其动力方程式如下：

方程式内， 表示四旋翼飞行器惯性坐标原点到质心的长度；m指四旋翼的质量。建立三阶转动惯量矩阵及旋转角速度矩阵，经整理可得飞行器的动力模型方程：

桨叶可用以下状态方程描述，经转换后推出模型方程。

能找到四旋翼飞行器的数学模型说明该系统是可以用控制理论创造控制算法来控制飞行器的姿态，由此可以知道，该四旋翼飞行器的控制在理论上还有硬件设计上都是可行的。详细模型推导过程，见参考文献[2]。

3 四旋翼飞行器总体设计

3.1 功能模块划分

系统可以划分成硬件和软件两大部分。

硬件包含搭载微控制器的最小系统板单元，低压差电源稳压模块，倾角传感器模块，高速空心杯电机驱动模块和NRF20L01无线遥控模块。

软件部分包括最小系统的驱动，各个外围模块的驱动程序，互补滤波器的软件实现，角度矢量融合及四旋翼飞行器的自平衡输出算法。

笔者在本次设计中重点做控制算法这一块，故会用比较大的篇幅来论述控制算法的实现及实际调试的一些总结、体会。

3.2 系统模块设计图

由3.1的功能模块划分，可以得出以下系统模块设计图，本次设计的四旋翼飞行器将按照图3.1所示的各个模块进行设计。

3.3 系统流程图

四旋翼飞行器的控制流程可以大致用图3.2所示的流程图来表示，在硬件平台的基础上面，系统要通过软件来完成相关的运算和控制量输出。流程图只是一个大致的方向，其中的简单方框，可能包含大量的处理代码，看似简约的控制流程框图，但却不简单。

3.4 开发工具和开发框架介绍

3.4.1 Altium Designer 6.9介绍

Altium Designer是Altium公司为电子产品开发设计者推出的一款集原理图设计、仿真、PCB布局绘制、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析等功能于一体的EDA软件。本设计采用的是本公司的试用版的Altium Designer 6.9进行双层PCB电路板的绘制。应用到的功能有原理图库的封装设计，原理图设计，PCB库的封装设计，PCB规则设置及PCB 布线布局等功能。本次设计所绘制的电路板性能比较稳定，暂时还没发现任何问题。AD公司的软件图标如图8所示。

3.4.2 Keil for ARM介绍

Keil for ARM是Keil Software与ARM合作开发应用于ARM编程的软件编译环境，其优点是拥有极高的目标代码生成效率，紧凑的汇编代码转化；C语音编程方面，结构性、可读性、可维护性更强，友好的编辑环境通俗易懂，在程序下载烧录方面，更是简单快捷。

3.4.3 Serial_Digital_Scope V2介绍

Serial_Digital_Scope V2中文称虚拟数字示波器，通过调用互联网上提供的数据处理函数，移植到系统程序中，再应用微控制器的串口，向上位机发送虚拟示波器的四路采集数据，在调试互补滤波器、角度矢量输出、控制量输出特性观测的调试过程中，虚拟示波器是不可缺少的工具，在整个系统开发的过程中，大部分的调试结果都通过它来显示。在此，向提供虚拟示波器函数库的前辈致敬。虚拟示波器的界面如图3.4所示。

4 四旋翼飞行器详细方案设计

本章节将从硬件及相应的驱动软件进行讲解四旋翼飞行器的详细方案设计。

4.1 硬件模块的功能及设计

硬件模块包括最小系统板、电源、倾角传感器、空心杯电机驱动及NRF24L01无线遥控模块。

4.1.1 最小系统板STM32F103模块

STM32F103是ST公司推出的一款基于ARM的32位增强型微处理芯片，该芯片是基于Cortex-M3 CPU内核开发的，芯片自带512K的FLASH，丰富的GPIO资源，其复用引脚功能有USB、CAN、IIC、SPI、11个定时器、3个ADC和13个通信接口。 本次设计用到了GPIO、IIC、SPI、定时器、ADC这几个功能。最小系统板的原理图如图4.1所示。

4.1.2 低压差电源模块

航模动力电池提供的电压是3.7V最左右，这就决定了3.3V的电源稳压模块必须采用低压差的稳压芯片，LP2985贴片封装稳压芯片是一个不错的选择，在 0.3V的范围内，该芯片都能输出稳定的3.3V直流电，其电路原理图如图4.2所示。

4.1.3 倾角传感器模块

倾角传感器采用集成的MPU6050模块，该模块测量的倾角数据通过IIC通信协议传给控制器。该芯片集成了6轴数据测量功能，分别为X、Y、Z轴角加速度和角速度。同时，通过配置功能寄存器，还可以得到芯片内部自行融合的三轴角度值，除此之外，MPU6050还集成了基于地球磁场感应的三轴数据功能，加上该传感质量轻，输出数据平滑，是航模制作中常用的倾角传感器，其原理图如图4.3所示。

4.1.4 空心杯电机驱动模块

820空心杯电机，5V电压转速达到5W转秒，电流0.15A。四旋翼飞行器电机是单方向旋转，故只需设计半桥驱动即可，本设计采用AO3402 N沟道MOS管设计半桥驱动，如图13所示，图中包含两路驱动，本设计需要四路驱动，IN4148的作用是续流二极管并加上电容改善功率因数及滤波。详细设计见原理图4.4。

4.1.5 NRF24L01无线模块

NRF24L01无线模块，通信频率在2.4GHZ频段，市面上卖该模块的商家很多，价格不贵，且专业化生产比自行设计的要稳定，故本设计采用的是模块化的NRF24L01无线模

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