四旋翼飞行器控制系统设计文档格式.doc
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随后又介绍了PID控制算法并设计了姿态控制系统。
关键词 四旋翼飞行器;
飞行控制器;
四元数;
PID控制算法
DesignofQuadrotorAircraftControlSystem
Abstract
Comparedtotheordinaryaircraft,quadrotoraircrafthastheadvantagesofsimplerstructure,lowerfailurerate,eachunitofvolumecanproducegreaterliftandsoon.Therefore,quadrotoraircrafthasabroadprospectofapplicationthatattractesmanyresearchersandbecomesthenewhottopicsathomeandabroad.Quadrotoraircraftflightcontrolleristhemostcentralpartoftheaircraft,nablingaircraftstoautonomousflightwithoutmanipulationfromoutside.Therefore,thedevelopmentofhighperformanceflightcontrollerisofgreatimportance.Meanwhile,thedesignandresearchofflightcontrollershasaconsiderableforesightintechnology.
Firstly,thisarticledescribesthequadrotoraircraft'
sbackgroundandcurrentstatusofresearch,thenintroducesthequadrotoraircraft'
sflyingprinciple.
Secondly,thisarticleintroducesthehardwaredesignofthequadrotoraircraft'
sflightsystem.ChosemicrocontrollerATmega2560astheflightcontroller'
smaincontrollerandchosesensorsasfollowing:
mpu6050,electroniccompassHMC5883.
Thirdly,thisarticleintroducesthesoftwaredesignofthequadrotoraircraft'
sflightsystemindetail.Including,coordinatesystem,thedefinitionofattitudeanglesandthecalculationmethodofattitude.Atlas,designsaattitudedetectionsystembasedonquaternionandkalmanfilter.Afterthat,introducesthePIDcontrolalgorithmanddesignsaattitudecontrolsystem.
Keywords Quadrotoraircraft;
Flightcontrolsystem;
PIDcontrolalgorithm
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-I-
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题背景 1
1.2国内外研究现状 2
1.3研究目的与意义 3
1.4研究内容 3
第2章总体方案设计 4
2.1总体方案设计 4
2.1.1总体方案 4
2.1.2姿态测量系统 4
2.2四轴飞行器运动控制系统的基本工作原理 5
2.3主要器件选型 6
2.3.1电机选型 6
2.3.2螺旋桨选型 6
2.3.3传感器选型 7
2.3.4处理器选型 8
2.4本章小结 8
第3章硬件电路设计 9
3.1单片机模块 9
3.1.1ATmega2560单片机简介 9
3.1.2ATmega2560单片机输入输出 9
3.1.3ATmega2560单片机工作电路设计 10
3.2姿态获取模块 11
3.2.1MPU6050传感器 11
3.2.2HMC5883L电子罗盘 13
3.2.3I2C通信协议 15
3.2.4MPU6050及HMC5883L工作电路 16
3.3无线模块 17
3.3.1NRF24L01简介 18
3.3.2NRF24L01工作模式 18
3.3.3NRF24L01数据包处理方式 19
3.3.4SPI通信协议 21
3.3.5nRF24L01工作电路 24
3.4串口通信模块 24
3.4.1MAX232芯片简介 24
3.4.2MAX232芯片引脚介绍 25
3.4.3串口通信电路 25
3.5电机驱动模块 26
3.6电源模块 26
3.7本章小结 27
第4章控制算法介绍及主要程序设计 28
4.1控制算法介绍 28
4.1.1姿态解算 28
4.1.2融合算法 29
4.1.3控制算法 31
4.2软件设计 33
4.2.1整体软件流程 34
4.2.2无线通讯程序设计 34
4.2.3数据采集与数据融合程序设计 36
4.3本章小结 37
结论 38
致谢 39
参考文献 40
附录A 41
附录B 47
附录C 51
附录D 52
四旋翼飞行器控制系统设计 I
DesignofQuadrotorAircraftControlSystem II
目录 III
Abstract IITOC\o"
1-3"
\h\u III
2.1总体方案设计 4
2.1.1总体方案 4
2.1.2姿态测量系统 4
2.2四轴飞行器运动控制系统的基本工作原理 5
2.3主要器件选型 6
2.4本章小结 8
3.1单片机模块 9
3.1.1ATmega2560单片机简介 9
3.1.2ATmega2560单片机输入输出 9
3.1.3ATmega2560单片机工作电路设计 10
3.2姿态获取模块 11
3.3无线模块 17
3.3.5nRF24L01工作电路 23
3.4串口通信模块 24
3.4.1MAX232芯片简介 24
3.4.2MAX232芯片引脚介绍 25
3.4.3串口通信电路 25
3.5电机驱动模块 26
3.6电源模块 26
3.7本章小结 27
4.1控制算法介绍 28
4.1.1姿态解算 28
4.1.2融合算法 29
4.1.3控制算法 31
4.2软件设计 33
4.2.1整体软件流程 34
4.2.2无线通讯程序设计 34
4.2.3数据采集与数据融合程序设计 36
4.3本章小结 37
附录C系统整体电路 51
附录D全部程序清单 52
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-III-
第1章绪论
1.1课题背景
早在上个世纪中叶,多旋翼飞行器就已经受到了海外一些研究机构的瞩目。
多旋翼飞行器虽然机械构造与飞行原理都很简单,但对传感器类与控制理论上的要求非常高,所以一直到本世纪初期,MEMS传感器技术及嵌入式控制系统科技的高速发展使得多旋翼无人机的研究终于得到了突破。
特别是欧美的一些先进国家,在小型,超小型无人机研究领域中,多旋翼无人机已逐步取代直升机式无人机,成为旋翼无人机研究的主流。
欧美据有代表性的科研团队有美国的MIT,德国的AscendingTechnology,法国的Hesychastic,美国的Pennsylvania等。
作为产品来开发的主要有Dragonfly,Micropterous等企业。
这些团队与企业早在本世纪初期就已经着手于多旋翼无人机的研究开发,分别在06,07年前后研发出各自的新型机体,并在市场上开始了贩卖。
其中Microdrones的产品性能最为稳定,价格也最为昂贵,最低档的产品也要在40万人民币左右。
缺点是因为采用的是低转速的电机,抗风能力弱,载重能力较差,只能搭载200g以下的数码相机,很难搭载其他的传感器来执行任务。
Dragonfly虽然是最早推出产品的公司,但他们的产品在机动性与抗风性上始终没能让客户感到满意。
Micropterous公司走的是DIY路线,供应散件让用户自己组装,同时在网
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- 四旋翼 飞行器 控制系统 设计
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