四旋翼无人机设计资料下载.pdf
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本次设计选用的飞控是以STM32芯片作为核心,根据各传感器不同的特征,采用不近相同的校正方式对飞行器其中包含的各个传感器所显示的数据进行更正。
最后运用PID算法对这些数据进行组合,通过改变四旋翼电机的转速,来实现飞行器的各种飞行动作和不同的飞行模式。
在组装四轴无人机的过程中,不断地调试和修正飞控主程序,最终做出了有多种飞行模式且能平稳飞行的四旋翼无人机。
关键词:
姿态传感器;
STM32微型处理器;
数据融合;
PID算法IIABSTRACTThefourrotorUAVbecauseofitsrelativelysimplestructure,andthecontrolisalsoveryconvenient,soitsbecomeahotindustryinrecentyears.ThispaperintroducesthedesignandproductionofthefourrotorUAV,inwhichcontainstheprincipleofflightfourrotorUAV,theflighthardwarethespecificdebuggingandselection,cascadePIDalgorithmandsystemsoftware.TheselectedfourrotorUAVcontrolsystemisbasedonSTM32microcontrollerasthecore,inaccordancewiththecharacteristicsofeachsensor,thecorrectionisnotnearlythesamecorrectionforeachaircraftsensorcontainsthedatadisplayed.FinallyusingPIDalgorithmforthecombinationofthesedata,andthencontrolfourmotorrotorfour,andthentoimplementvariousaircraftflightmaneuversandaerobatics.InthedesignandproductionofthefourrotorUAVstepInthispaper,alotofdebuggingiscarriedout,andcomparedwiththeexistingexcellentattitudealgorithm,andthenverified,andfinallyproducedafourrotoraircraftcapableofcontinuousandstableflightoperationsKeyWords:
MEMSSensor;
STM32Processor;
DataFusion;
PIDIII目录1绪论.11.1研究背景及意义.11.2国内外四旋翼飞行器的研究现状.11.2.1国外四旋翼飞行器的研究现状.11.2.2国内研究现状.21.3本文研究内容和方法.32四旋翼无人机的结构与工作原理.42.1四旋翼无人机的结构.42.2四旋翼无人机工作原理.43四旋翼无人机硬件系统设计.93.1微惯性组合系统传感器组成.93.1.1MEMS陀螺仪传感器.93.1.2MEMS加速度计传感器.93.1.3三轴数字罗盘传感器.93.2姿态测量系统传感器选型.103.3电源系统设计.113.4其它硬件模块.123.4.1无线通信模块.123.4.2电机和电机驱动模块.123.4.3机架和螺旋桨的选型.133.4.4遥控控制模块.144四旋翼飞行器系统软件设计.164.1系统程序设计.164.1.1姿态系统软件设计.164.1.2PID控制算法设计.175飞行器试验.195.1飞行试验准备.195.1.1试飞平台组成.195.1.2试飞实验注意事项.195.2试飞内容及结果.205.2.1地面静态实验测试.205.2.2动态飞行实验测试.226总结与展望.28IV参考文献.29附录A.30附录B.31致谢.59商丘工学院本科毕业设计11绪论1.1研究背景及意义随着无刷电机和锂电池的充分发展,一直是实验模型的四旋翼无人机变成了现实中常见的飞行器。
四旋翼无人机相对低廉的成本和超高的灵活性一直是许多科研机构的重点研究项目。
四旋翼无人机可以说是将人们的视线重固定翼拉到了多旋翼,固定翼体积大负重小的问题一直备受诟病。
四旋翼的出现真正打破了飞行器单翼的僵局,也将飞行器这种在普通人眼中比较高大的事物变成普通。
民用上的无人机喷洒农药,无人机航拍,无人机测绘,操作方便,组装成本低,效率高,已然成为新时代飞行器的佼佼者。
军事上的应用更为广泛,侦查,气象探查,物资投放等。
虽说无人机的飞行原理简单,但是它所囊括的学科非常多。
从无人机机体的设计、传感器的选择、无人机系统的布置和飞行软件的编写都要无人机专业理论的支撑。
本次设计主要是调试无人机,不断地完善飞行姿态参数,最终设计出能够稳定飞行的四旋翼。
目前造价低廉并且超高性能的无人机的深入研究在不久的将来会拥有非常大的经济效益,并且能够促进科研事业的长久发展。
1.2国内外四旋翼飞行器的研究现状1.2.1国外四旋翼飞行器的研究现状最先开始四旋翼研究的是加拿大的一名研究人员,通过演算和推导证明了四旋翼无人机能够稳定飞行的可能性,但限于当时的无刷电机和电池发展不足,因而一直是理想模型。
而来至澳大利亚的一所名叫卧龙岗的大学,大学里的研究人员针对四旋翼建立了一个非常精确的模型,并成功试飞。
Draganflyer由美国公司研发,特点较为突出,如图1.1所示。
该种四旋翼无人机主要制作的材料是碳纤维,碳纤维具有强度大,重量轻的特点,碳纤维的使用使得电机大部分动力可以用在诸多外置传感器上,因此航拍也就轻而易举了,有四个无刷大拉力电机提供飞行动力,并且不需要舵机,四个电机既提供动力也可以做舵机,飞行更加稳定。
与Rraganflyer同样具有代表性的是AR.Drone无人机,Parrot的无人机比Draganflyer多了螺旋桨的保护套,Parrot公司甚至将保护套连接起来,这样做出的飞行器稳定性更好,飞行器上的保护套同时也起到保护作用,如图1.2所示。
AR.Drone首先将手机控制用到无人机控制上面,打破了传统遥控器控制的单一局面,是操作者可操作方式多元化,其所使用在飞行器上的MEMS传感器,同时配上了诸多传感器,例如超高像素摄像头,AR.Drone的工作范围更加广泛。
无人机研究项目的火热也促进了商业价格的提升,德国MD4-200,如图1.3所示。
这个型号的无人机机架通体采用碳纤维,碳纤维纯黑高亮的特点,让无人机的整体面貌焕然一新,同时其在空中负载能力增强,最重要的是非常省电,续航时间大大拉长,方商丘工学院本科毕业设计2便的诸多飞行任务。
这款无人机又搭载了GPS全球导航系统还有摄像相机,这样的合理搭配使无人机能够非常轻松的在任何环境执行各种既定航拍任务。
图1.1DraganflyerX4四旋翼飞行器图1.2AR.Drone飞行器当今诸多科研机构相继开展了与四旋翼无人机有关联的科研项目,比如美国的麻省理工,提出了UAVSHMP,俗称多机协同飞行。
其主要目的是通过地面站地面控制来进行多飞行器的协同飞行完成既定的飞行任务。
就目前来讲,该实验已经成功进行了一个地面站对诸多无人机的控制实验,可运用该设备来对地面上的目标进行全方位监视与多层面追踪。
该款四旋翼无人机内部所带的姿态传感器,测量精度高,能够实时测量飞行器的实际姿态。
并依据感知到的诸多信息来对飞行轨迹进行规划与重建。
可以说多机协同下的无人机已经智能化且能够完成诸多飞行任务。
图1.3MD4-200多功能航拍飞行器图1.4MIT多旋翼飞行器协同飞行实验1.2.2国内研究现状但是相比于国外无人机的高速发展,国内无人机发展则较为缓慢,再加上国外对技术的封锁,国内想要获得成果的日期更是被无限延长。
所以对于无人机这一高新技术研究一般都是国内的几大航空院校和部分高新技术产业在进行。
商用最为突出的就是于2006年在深圳成立的大疆创新公司,该公司对于四旋翼无人机的研究比较积极,研发出的多种主线飞行器,市场反响都非常好,其中包括飞行器飞行控制系统简称飞控与地面站。
精灵2VISIO+无人机,该款无人机自带云台,安装了高清相机,云台采用3轴陀螺仪减震与GPS定点,飞行十分稳定,操作简单易上手,即便是没玩过飞机的新手,也能轻易爽飞。
在国内外都有较高的评价。
商丘工学院本科毕业设计3图1-11大疆PHANTOM2VISIO+四旋翼飞行器1.3本文研究内容和方法本论文研究的内容是基于STM32的四旋翼无人机飞行控制系统设计,通过PID算法对飞行器数据进行更正,使得飞行器能够实现自行稳定,同时具备自主飞行与远程遥控飞行两个模式,为了飞行安全,加上了飞行模式切换功能,当飞行器出现故障或者报错的时候,转自动模式为手动模式,运用手上遥控器对飞行器进行控制,来实现飞行器稳定飞行的功能。
主要研究内容安排如下:
第一章中的绪论部分主要说明了本课题的研究意义和对四旋翼无人机在国内外的研究现状与发展趋势做出了简要的描述。
第二章着重介绍了四旋翼无人机的两种结构方式和飞行原理。
第三章详细介绍了四旋翼无人机控制系统的硬件设计的工作。
介绍了MEMS传感器的原理、特性和型号的选择和硬件电路图。
飞行器控制芯片选择STM32,外围电路包括有姿态测量系统、电源模块、无线通讯、串口通讯、电机驱动、遥控器控制电路。
第四章针对软件实现部分进行了介绍,给出了编程的软件流程图和串级PID控制和定高控制方法。
第五章详细介绍了四旋翼无人机试飞前的各种注意事项并且进行了飞行器静态测试和动态测试。
最后一章对本次设计进行了总结,并且说明了设计中存在的问题并对今后的研究工作进行了展望。
商丘工学院本科毕业设计42四旋翼无人机的结构与工作原理2.1四旋翼无人机的结构飞行控制器控制飞行姿态,电调、电机和螺旋桨提供飞行动力,航模电池提供电能,遥控器控制飞行模式。
四旋翼无人机有两种组装模式,飞行正方向位于两机臂之间的是X字模式(如图2.1所示),还有十字模
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- 四旋翼 无人机 设计
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