民用多旋翼航拍无人机飞行的设计初稿(4)

毕业设计(论文)

题 目 民用四旋翼无人机飞行控制系统的设计 指导教师 徐祖华 职 称 副教授 班 级 电气工程及其自动化12级01 班 学 号 20129450109 学生姓名 谭佳龙

学院名称 船山学院

2016年5月20 日

南 华 大 学

毕业设计（论文）任务书

学院： 船山学院 题目： 民用四旋翼无人机飞行控制系统的设计 起止时间： 2015年12月 至 2016年5月 学生姓名： 谭佳龙 专业班级： 电气工程及其自动化12级01 班 指导老师： 徐祖华 教研室主任： 肖金凤 院 长： 王新林

2015 年 12 月 20 日

设计（论文）内容及要求 1.背景资料 1.1 四旋翼结构被认为是一种最简单和最直观的稳定控制形式。但由于这种形式必须同时协调控制四个旋翼的状态参数，这里四旋翼飞行器重新考虑采用这种结构形式，主要是因为总距控制和周期变距控制虽然设计精巧，控制灵活，但其复杂的机械结构却使它无法再小型四旋翼飞行器设计中应用。另外，四旋翼飞行器的旋翼效率相对很低，从单个旋翼上增加拉力的空间是非常有限的，所以采用多旋翼结构形式无疑是一种提高四旋翼飞行器负载能力的最有效手段之一。至于四旋翼结构存在控制量较多的问题，则有望通过设计自动飞行控制系统来解决。四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。 1.2四旋翼无人机除了飞行动力系统以外还有飞行控制系统，飞行控制系统采用STM32作为主控芯片，同时采用气压计和三轴陀螺仪作为辅助稳定系统 1.3附加模块：电动起落架、三轴云台、航拍相机、降落伞、图像传输模块、数字信号传输模块、PWM遥控器等 2. 设计内容 2.1 整体方案设计。 2.2 电机、机架材料、桨的选型。要求具有平稳飞行、悬停、定高、航拍等功能。属于设计的重点内容。 2.3 飞行控制系统以及电子调速器的设计。属于设计的重点内容。 2.4 飞行控制系统算法的设计。属于设计的重点内容。 2.5 附加功能的设计。 3. 论文要求 4.1独立完成设计的全部内容。 4.2 独立撰写毕业设计论文一篇（不少于15000字）。 4.3 毕业设计论文符合学校规定的论文格式、图表规范。 4.4毕业设计的有关资料存入磁盘（或刻录光盘）。 5. 进度安排 2015年12月～2016年1月：资料收集、整理，撰写文件综述和开题报告。 2016年2月：方案设计。 2016年3月：各部件选型以及初步确定飞行控制系统和电子调速器的设计方案。 2016年4月：飞行控制系统以及电子调速器的设计。 2016年5月：调试代码，试飞，撰写、修改毕业设计论文、毕业设计答辩。 指导教师： 2015 年12 月22 日

毕业设计(论文)

文献综述

题目： 民用四旋翼无人机的设计 学院： 船山学院 指导老师： 徐祖华 职称： 副教授 班级： 电力01 班 学号： 20129450109 学生姓名： 谭佳龙

2016年01月20日

民用四旋翼无人机的设计的设计文献综述

摘要：无人机航拍影像具有高清晰、大比例尺、小面积、高现势性的优点。特别适合获取带状地区航拍影像（公路、铁路、河流、水库、海岸线等）。且无人驾驶飞机为航拍摄影提供了操作方便，易于转场的遥感平台。起飞降落受场地限制较小，在操场、公路或其它较开阔的地面均可起降，其稳定性、安全性好，转场等非常容易，本文详细讲述航拍无人机发展历程、现状以及未来航拍无人机的发展。

关键词：多旋翼 发展历程 航拍无人机

前言

多旋翼无人机发展历程

20世纪40年代，二战中无人靶机用于训练防空炮手。

1945年，第二次世界大战之後将多於或者是退役的飞机改装成为特殊研究或者是靶机，成为近代无人机使用趋势的先河。随著电子技术的进步，无人机在担任侦查任务的角色上开始展露他的弹性与重要性。 20世纪55年到74年的越南战争，海湾战争乃至北约空袭南斯拉夫的过程中，无人机都被频繁地用于执行军事任务。

1982年以色列航空工业公司(IAI)首创以无人机担任其他角色的军事任务。在加利利和平行动（黎巴嫩战争）时期，侦察者无人机无人机系统曾经在以色列陆军和以色列空军的服役中担任重要战斗角色。 以色列国防军主要用无人机进行侦察兵，情报收集，跟踪和通讯。

1991年的沙漠风暴作战当中，美军曾经发射专门设计欺骗雷达系统的小型无人机作为诱饵，这种诱饵也成为其他国家效彷的对象。

1996年3月，美国国家航空航天局研制出两架试验机：X－36试验型无尾无人战斗机。该机长5.7米，重88公斤，其大小相当于普通战斗机的28%。该机使用的分列式副翼和转向推力系统比常规战斗机更具有灵活性。水平垂直的机尾既减轻了重量和拉力，也缩小了雷达反射截面。无人驾驶战斗机将执行的理想任务是压制敌防空、遮断、战斗损失评估、战区导弹防御以及超高空攻击，特别适合在政治敏感区执行任务。

20世纪晚期之前， 他们不过是比全尺寸的遥控飞机小一些而已。美国军方在这类飞行器上的兴趣不断增长，因为他们提供了成本低廉，极富任务弹性的战斗机器，这些战斗机器可以被使用而不存在机组人员死亡的风险。

20世纪90年代，海湾战争后，无人机开始飞速发展和广泛运用。美国军队曾经购买和自制先锋无人机在对伊拉克的第二次和第三次 海湾战争中作为可靠的系统。

20世纪90年代后，西方国家充分认识到无人机在战争中的作用，竞相把高新技术应用到无人机的研制与发展上：新翼型和轻型材料大大增加了无人机的续航时间；采用先进的信号处理与通信技术提高了无人机的图像传递速度和数字化传输速度；先进的自动驾驶仪使无人机不再需要陆基电视屏幕领航，而是按程序飞往盘旋点，改变高度和飞往下一个目标。

1.航拍无人机发展历程

1858

年法国人纳达尔乘坐气球，从白米外的高空纵情一跃，历史上第一张

航拍照片诞生了，一个半世纪后，纳达尔14次捧起大满贯奖杯，成为了横跨两个完全不同领域并获得卓越成绩的历史第一人。当然这是一个玩笑，此纳达尔非彼纳达尔，虽然没有网球名将如此高的知名度，百度上搜索也不会出现他的名字，但作为法国著名摄影师，他用极具想象力的手法以及勇气开启了航拍领域的一扇大门。

中国本土最早的航拍，严格意义上说和我们自己并无多大关系。1900年八国联军来到北京，法国远征军的上尉为了见证这个事件，命令侦查部队的热气球在北京、天津两地进行拍摄，留下了中国历史上已知最早的航拍作品。

从很多资料中都可以看到，早期的航拍与热气球有着不解之缘。哪怕飞机诞生后，主要的拍载具依然是热气球，这其中很大一部分原因在于热气球相对较低的成本。航拍的历史并不长，查资料时都没有那种厚重的沧桑感，但就是在这短短一个半世纪，航拍以令人瞠目结舌的速度演变着，那么1858年之后究竟发生了哪些事，加快了无人机的脚步呢？

一战和二战。战争总促使科技迅猛发展，无人机也不例外。1916年9月12日，第一架无线电操纵的无人驾驶飞机在美国试飞。当时无人机结构简单，而且造价低廉，最重要的是能完成有人驾驶飞机不宜执行的多种任务比如：作为靶机、侦察监视、骗敌诱饵等等。热气球被广泛使用是因为成本，但战争年代，人成为了最高的成本，所以当第一架无人机诞生后各个国家都坐不住了。

实际上无人机的诞生可以追溯到1914年，英国的卡德尔和皮切尔两位将军向英国军事航空学会提出了一个有趣的想法：做一架不需要驾驶员但能飞到敌人领空进行作战的飞机。这么酷炫的想法当然得到了支持，虽然几次试验均以失败告终，但积累的经验成为后人宝贵的财富。

航拍+无人机=无人航拍机，如果说整个发展进程用100天来表示，前1-99天是无人机和航拍融合发展的过程，剩下那短暂的1完成了无人航拍的巨变，航拍在极短时间内由军事、气象监测这些高大上的领域下架到民用领域，而最先吃到甜头的就是电影行业。

早期由于无人航拍机的载重有限，无法搭载专业的电影摄像机，而飞机上自带的摄像机无法满足大荧幕的需求，好莱坞剧组依然会使用直升机作为航拍载具。可喜的是这样的弯路并没有走太久，市场变大使得无人机公司赚的盆满钵盈，更加出色的无人航拍机投入使用。

最开始无人航拍机真的就是飞机的样子，而且操作复杂需要高价聘请专人操作。但后来“飞机”演变成了“飞行器”，多轴螺旋桨加上陀螺仪稳定器，让RED、ARRI这样的大家伙也过把坐飞机的瘾。至此，航拍的成本有了质的变化，不止好莱坞，就是国内一些工作室拍微电影都要玩一玩航拍了。 不过航拍在电影中的地位还没达到举足轻重的地步，更多只是在营造画面冲击力时的点缀。从手法看，航拍可以完成推、拉、摇、移等镜头的拍摄，这些镜头在剧组中通常会借用滑轨以及摇臂等设备，那无人航拍机有朝一日能否成为这些设备的替代品，传统观念中，航拍器飞在高高的空中，能够拍出震撼的大场面。不为人知的是航拍器的极限贴地距离很低，只要操作航拍器的人技术靠谱，完成大部分跟拍镜头是不成问题的。试验中我们只是选择了一架中端无人航拍器，跟拍的速度也很慢，就可以达到不错的效果了。

2、无人机航拍特点及应用范围

无人机航拍影像具有高清晰、大比例尺、小面积、高现势性的优点。特别

适合获取带状地区航拍影像（公路、铁路、河流、水库、海岸线等）。且无人驾驶飞机为航拍摄影提供了操作方便，易于转场的遥感平台。起飞降落受场地限制较小，在操场、公路或其它较开阔的地面均可起降，其稳定性、安全性好，转场等非常容易。 多用途、多功能的影像系统是获取遥感信息的重要手段。遥感航拍使用的摄影、摄像器材主要是经过改装的120照相机，拍摄黑白、彩色的负片及反转片。也可使用小型数字摄像机或视频无线传输技术进行彩色摄制。小型轻便、低噪节能、高效机动、影像清晰、轻型化、小型化、智能化更是无人机航拍的突出特点。

无人机航拍摄影技术以低速无人驾驶飞机为空中遥感平台，用彩色、黑白、红外、摄像技术拍摄空中影像数据；并用计算机对图像信息加工处理。全系统在设计和最优化组合方面具有突出的特点，是集成了遥感、遥控、遥测技术与计算机技术的新型应用技术。

无人机航拍摄影技术可广泛应用于国家生态环境保护、矿产资源勘探、海洋环境监测、土地利用调查、水资源开发、农作物长势监测与估产、农业作业、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、森林病虫害防护与监测、公共安全、国防事业、数字地球以及广告摄影等领域，有着广阔的市场需求。

3、航拍无人机种类及特点

按照不同平台构型来分类，航拍无人机可主要有固定翼无人机、无人直升

机和多旋翼无人机三大平台，其它小种类无人机平台还包括伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞船等。固定翼无人机是军用和多数民用无人机的主流平台，最大特点是飞行速度较快；无人直升机是灵活性最强的无人机平台，可以原地垂直起飞和悬停；多旋翼（多轴）无人机是消费级和部分民用用途的首选平台，灵活性介于固定翼和直升机中间（起降需要推力），但操纵简单、成本较低。其中多旋翼无人机目前应用于航拍领域最多。

4、多旋翼航拍无人机构造

典型的小型多旋翼无人机，一般由机械部分（机架），动力部分（包括电

机、电子调速器、电调连接板、桨叶、电池），电子部分（包括飞控板、通信模块、遥控器接收机、PWM编码板）组成。航拍多旋翼为了达到航拍的功能还会增加其他的一下附属部件，一般有GPS定位模块、三轴或多轴增稳云台、地面站控制台、数字图像传输模块、降落伞模块、自动起落脚架、低电压报警模块。部分高标准的专业航拍无人机还会配备超声波定高模块、光流声呐探测模块、红外热感应成像系统等一些高级应用模块来协助作业。

5、航拍无人机发展瓶颈

无人机航拍现在已经进入到一个瓶颈了，无人机航拍主要的是3个部分 一

个是机体本身，需要一个稳定，合适的平台，这样拍出来的照片成片率才高，二是一个合适的相机，毕竟现在大家航拍的用得多的还是佳能的，这个就不是我们能控制的了，但是目前技术仍然能满足需求，相机的发展越高，那么相应的清晰度就越高。第三需要一个良好的飞行控制系统，有个飞控才能更好的规划航线和飞出所需要的航拍区域。

6、航拍无人机发展趋势

随着中国改革开放的逐步深入，经济建设迅猛发展，各地区的地貌发生巨大

变迁。现有的航空遥感技术手段已无法适应经济发展的需要。新的遥感技术为日益发展的经济建设和文化事业服务。以无人驾驶飞机为空中遥感平台的技术，正是适应这一需要而发展起来的一项新型应用性技术，能够较好地满足现阶段我国对航空遥感业务的需求，对陈旧的地理资料进行更新。 随着我国经济和文化建设的发展，不少古建筑、考古现场等发现、田野考古探索、城乡的地貌发生巨大变化。一些版图反映不出新的面貌。

目前使用资料较为陈旧。常规的成图周期，已不能满足需要。我们利用遥感航拍

技术更新的地理资料对地区的经济建设起到了积极的促进作用。

为适应城镇发展的总体需求，提供综合地理、资源信息。正确、完整的信息资料是科学决策的基础。各地区、各部门在综合规划、田野考古、国土整治监控、农田水利建设、基础设施建设、厂矿建设、居民小区建设、环保和生态建设等方面，无不需要最新、最完整的地形地物资料，已成为各级政府部门和新建开发区急待解决的问题。我们用遥感航拍技术准确地反映出。地区新发现的古迹、新建的街道、大桥、机场、车站以及土地、资源利用情况的综合信息。遥感航拍技术是各种先进手段优化组合的新型应用技术。

参考文献

[1]陈新泉. 四旋翼无人机飞控系统设计与研究[D]. 南昌航空大学, 2014. [2]谢龙, 韩文波. 四旋翼无人机飞行控制系统设计研究[J]. 光电技术应用, 2015(1):48-53.

[3]张婧. 四旋翼无人机自主飞行控制系统设计与开发[D]. 海南大学, 2015.

[4]姜成平. 一种四旋翼无人机控制系统的设计与实现研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2014. [5]连蓉. 四旋翼无人机影像获取及DOM生产研究[J]. 地理空间信息, 2014(1):80-83. [6]詹镭, 贺人庆, 谢阳,等. 基于微型四旋翼无人机的智能导航系统[J]. 电子测量技术, 2011, 34(6):1-3.

[7]王伟, 吴旻, 王昱. 四旋翼无人机的室内自主飞行控制[J]. 计算机仿真, 2015, 32(1):64-68.

[8]钟佳朋. 四旋翼无人机的导航与控制[D]. 哈尔滨工业大学, 2010. [9]石怀林. 无人机发展趋势[J]. 江苏航空, 1996(4).

[10]张蕾. 国外无人机发展趋势及关键技术[J]. 电讯技术, 2009, 49(7):88-92.

[11]甄云卉, 路平. 无人机相关技术与发展趋势[J]. 兵工自动化, 2009, 28(1):14-16. [12]符小卫, 高晓光. 一种无人机路径规划算法研究[J]. 系统仿真学报, 2004, 16(1):20-21.

[13]叶锃锋, 冯恩信. 基于四元数和卡尔曼滤波的两轮车姿态稳定方法[J]. 传感技术学报, 2012, 25(4):524-528.

[14]陈伟. 基于四元数和卡尔曼滤波的姿态角估计算法研究与应用[D]. 燕山大学, 2015. [15]王伟, 张晶涛, 柴天佑. PID参数先进整定方法综述[J]. 自动化学报, 2000, 26(3):347-355.

[16]吴宏鑫, 沈少萍. PID控制的应用与理论依据[J]. 控制工程, 2003, 10(1):37-42.

南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目 设计（论文）题目来源 民用四旋翼无人机的设计 自选题目 起止时间 2015.12-2016.06 设计（论文）题目类型 产品设计 一、设计（论文）依据及研究意义： 设计依据： 1.四元数法卡尔曼滤波可以对无人机姿态进行解算与数据融合； 2.PID算法可以对四旋翼无人机进行姿态控制； 3.各类型传感器相互配合可是的无人机操作控制更加精准。 研究意义：四轴多旋翼无人机的结构比较简单，成本相对较低，方便维修，与其他无人机相比还具有体积小、重量轻、控制灵活方便、可垂直起降、可空中定点悬停等特点，不论在军事上领域还是民用领域都能够得到非常广泛的应用。在军事领域，四旋翼无人机能够全方位、多角度、远距离的对目标区域进行实时低空侦查，并同步传送影像，可进行现场伤员评估；此外还能直接加入现代化战争，化身现代化武器，比如远程空投炸弹等，在民用领域，四旋翼无人机还能够用于航空摄影、地震灾情探查、人员搜救、物件运输、监控巡查等方面。 二、设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线） 主要研究内容： 1.飞行控制系统的数学建模，硬件结构的数学建模； 2.对各传感器模块研究，并完成数据的采集； 3.采用四元数法卡尔曼滤波对无人机姿态进行解算与数据融合； 4.采用PID算法对四旋翼无人机进行姿态控制； 5.对飞行器进行地面静态测试实验和空中动态飞行测试实验。 预期目标： 1.完成飞行控制系统以及硬件结构系统的设计； 2.完成对各传感器组装的工作； 3.设计完成后进行实物制作，并试飞。

三、设计（论文）的研究重点及难点： 研究重点： 1.多旋翼无人机的飞行控制设计以及整机电路设计 2.多旋翼无人机的飞行控制系统的各部分传感器相互协同作业，各部分数据收集反馈回核心处理器。 3.多旋翼无人机的稳定性。 研究难点： 1.飞行控制系统的算法设计以及卡尔曼滤波等知识的运用 2.飞行控制系统各传感器协同作业的稳定性 四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）： 2015年12月～2016年1月：资料收集、整理，撰写文件综述和开题报告。 2016年2月：方案设计。 2016年3月：各部件选型以及初步确定飞行控制系统和电子调速器的设计方案。 2016年4月：飞行控制系统以及电子调速器的设计。 2016年5月：调试代码，试飞，撰写、修改毕业设计论文、毕业设计答辩。 五、进行设计（论文）所需条件： 1.熟悉题目，了解设计内容要求任务，通过查阅相关科技文献初步拟定设计方案。 2.收集各类资料，包括借阅相关书籍。 3.购买 实物制作相关材料以及准备调试相关软件 六、指导教师意见： 签名： 年 月 日

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摘要：本设计首先是对四旋翼无人机飞行器的整体结构组成和操作原理进行理论性分析，然后按照任务书设计要求，制定了飞行器控制系统的总体方案，主控制器芯片采用的是ARM公司研发生产的STM32F106微处理器芯片，飞行姿态传感器选用的是MPU6050集成模块，该模块内部集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计等精密检测元件；飞行航向检测模块采用的是拥有超高灵敏度的 HMC5883L磁罗盘航向计；飞行高度测量模块选用的高精度BMP085气压计；定位导航采用的是GPS定位模块，定位芯片选用的是u-blox 公司研发生产的NEO-6M定位芯片；无线通信数据用NRF24L01 模块来实现。当硬件部分整体设计完成之后，便开始对无人机控制系统和传感器的软件架构进行整体设计。首先是进行各部分传感器数据的采集，然后利用内部程序采用卡尔曼滤波的方法对传感器数据进行处理；采用PID控制算法实现了对飞行器的姿态控制；根据STM32F106处理器芯片的快速收集功能，能够迅速捕获到接收机接收的地面的控制信号，用来完成对无人机的瞬间控制作用；另外在飞行控制系统软件中还加入了无线数据通信模块，通过这个模块能够让地面站和无人机在飞行的时候能够移动通信，并且能够将无人机上的传感器采集的高度、气压、飞行速度、温度、湿度、姿态角等信号数据传回地面站，最后对制作完毕的无人机进行了测试，首先是在地面调整各项参数以及修正部分程序的不足之处，接着就是调整各个姿势的PID数值。保证无人机在正常飞行的情况下在各个动作都能够保证稳定飞行，同时测试数传信号和图传信号的稳定性。最后是进行无人机的空中的飞行实验，在这个阶段分别对无人机进行了上下极限飞行，前进后退飞行，左右旋转，悬停等试验，经过测试结果表明，该款无人机能够完成遥控模块给出的各项指令以及在地面站和无人机之间的信号传输。符合设计要求。

四旋翼无人机飞行器拥有着操控灵活、机体小、重量轻、稳定性优良、可垂直起降和自由悬停等特点，这几个特点不管是在军事应用上还是民用领域上都有着广泛的应用前景。

关键词：四旋翼无人机，飞控系统，GPS 定位

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Abstract:Four rotor unmanned spacecraft with flexible control, the body is small, light

weight, good stability, vertical take-off and landing and free hovering etc, these a few characteristics both in military application and has a broad application prospect in civilian areas. This design is the first of four rotor unmanned spacecraft overall structure and operating principle of theoretical analysis, and then according to the design specification requirements, formulate the overall plan of aircraft control system, main controller chip is the ARM microprocessor chip research and development production STM32F106, flight attitude sensor is chosen MPU6050 integration module, the internal integration module integrates the three-axis gyroscope and three-axis accelerometer and other precision detecting element; Flight heading detection module USES is with ultra high sensitivity of magnetic compass heading HMC5883L meter; Flying height measuring module choose high accuracy BMP085 barometer; Navigation and positioning using GPS positioning module, positioning chip selection is u - blox company research and development production of NEO - 6 m positioning chips; Use NRF24L01 wireless data module. When the hardware part of the overall design is completed, in unmanned aerial vehicle (uav) control system and the software architecture for the overall design of the transducer. Is each part of the sensor data acquisition in the first place, then use the internal procedures using kalman filtering method to deal with the sensor data; PID control algorithm was adopted to realize the attitude control of aircraft; According to STM32F106 processor chip quickly gather function, can quickly capture the receiver receive the ground of the control signal, used to complete the moment control of unmanned aerial vehicle (uav); In the flight control system software also joined the wireless data communication module, through this module will help keep the ground stations and unmanned aerial vehicle (uav) at the time of flight to mobile communication, and can collect the sensors on the uav flying height, air pressure, velocity, temperature, humidity, attitude Angle, such as signal data back to the station, the last of the finished unmanned aerial vehicle (uav) was tested, first is on the ground to adjust the parameters as well as the deficiency of fixed part program, followed by adjusting the position of the PID values. To ensure unmanned aerial vehicle (uav) in the case of a normal flight in every action can ensure stable flight, at the same time testing the stability of the digital signal and the signal. Drone air flight experiment, finally is to separate the unmanned aerial vehicle (uav) at this stage the extreme flying up and down, forward backward fly, spin around, hovering and test, the test results show that the uav can complete every order of remote control module is given and the signal transmission between ground stations and unmanned aerial vehicle (uav).

Key words：The four rotor UAV, flight control system, GPS positioning

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目录

1、绪论............................................................. 1

1.1设计背景及意义 ............................................. 1 1.2国内外发展现状 ............................................. 1 1.2.1国外发展现状 ............................................ 1 1.2.2国内发展现状 ............................................ 2 2、四旋翼无人机工作原理............................................. 3

2.1四旋翼无人机硬件结构和工作原理 ............................. 3 2.1.1四旋翼无人机的组成结构 .................................. 3 （1）四轴机架................................................ 4 （2） 动力系统............................................... 4 （3） 飞行控制系统........................................... 4 2.1.2四旋翼无人机工作原理 .................................... 4 （1） 悬停................................................... 5 （2） 垂直上升和下降运动..................................... 5 （3） 前后运动和俯仰运动..................................... 5 （4）左右运动和横滚运动...................................... 6 （5） 左右旋转运动........................................... 7 3、 四旋翼无人机飞行控制系统硬件设计................................ 8

3.1飞行控制系统设计总体方案 ................................... 8 3.1.1 飞行控制系统设计要求.................................... 9 3.1.2飞行控制系统设计方案 .................................... 9

3.2四旋翼无人机飞行控制器模块设计 ............................ 11 3.2.1主控制器选型 ........................................... 11 3.2.2STM32主控制器硬件设计 .................................. 12

3.3传感器模块的设计 .......................................... 13 3.3.1IMU传感器模块设计 ...................................... 14 3.3.2 磁航向计模块设计....................................... 18 3.3.3 高度传感器模块设计..................................... 19 3.3.4 GPS 定位模块设计....................................... 21

3.4 无线通信数据链 ............................................ 23 3.4.1 手持无线遥控器......................................... 23 3.4.2 无线数据传输........................................... 24 4、软件设计与测试.................................................. 27 4.1 软件开发环境简介 ........................................... 27

4.2 传感器的数据采集与分析 .................................... 27 4.2.1 数据采集所采用的 I2C 总线协议介绍 ...................... 27 4.2.2 姿态传感器数据采集..................................... 28 4.2.4 磁航向模块数据采集..................................... 33 4.3.2 GPS 模块定位性能测试................................... 36

4.4 传感器的数据处理 .......................................... 37

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态及动作分解如下所示。 （1）悬停

如图2.3所示，当各电机产生的上升力之和F与无人机的重力G大小相等、方向相反时，无人机便可以在空中实现悬停动作。

图2.2 四旋翼无人机空中悬停受力示意图

（2）垂直上升和下降运动：

如图2.3所示，当操作者增大油门，其他条件保持不变，当上升力F>重力G时，无人机向上运动，反之向下运动。

图2.3 四旋翼无人机飞行器空中上升受力示意图

图2.4 四旋翼无人机飞行器空中下降受力示意图 （3）前后运动和俯仰运动：

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如图2.6所示，当操作者保持油门不动，将方向杆后方向拨动时，无人机的M4和M3号电机的转速减小，所以M3和M4电机侧产生向下的力，M1和M2号电机的转速增加的时候，M1和M2电机侧产生向上的力，在这个力的作用下的F在X轴负方向上产生一个向后的分力，使得无人机实现向后飞行。

图2.5四旋翼无人机飞行器空中后退受力示意图

如图2.5所示，当操作者保持油门不动，将方向杆前方向拨动时，无人机的M4和M3号电机转速增加，所以M3和M4电机侧产生向上的力，M1和M2号电机的转速减小的时候，所以M1和M2电机侧产生向下的力，所以在力的作用下可以使得升力F在X轴方向上产生一个向前的分力，无人机向前飞行。

图2.6四旋翼无人机飞行器空中前进受力示意图

（4）左右运动和横滚运动：

如图2.7所示，当操作者保持油门不动，将左右方向拨杆拨至左方向时，无人机的M2号和M3号电机的转动速度不断加快，所以在M2号、M3号方向上产生一个向上的升力，M1号和M4号电机的转动速度不断减小的时候，在M1号和M4号方向上产生一个向下的力，导致无人机右边的升力不断增加，所以在M1左侧的升力持续减小，可以使得无人机的总升力F在Y轴负方向上产生一个向左的分

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力，使得无人机向左飞行运动。

图2.7四旋翼无人机飞行器空中向左运动受力示意图

如图2.8所示，当操作者保持油门不动，将左右方向拨杆拨至右方向是，无人机的M2和M3号电机的转动速度减小，所以在M2、M3方向上产生一个向下的力，M1和M4号电机的转动速度增加的时候，在M1和M4方向上产生一个向上的力，使得无人机的总升力F在Y轴方向上产生一个分力，使得无人机实现向右飞行运动。

图2.8四旋翼无人机飞行器空中向右运动示意图 （5）左右旋转运动：

操作者保证方向拨杆不动，将油门拨杆横向向左拨动时，无人机的M1号电动机和M3号电机的转动速度增加，M2号电机和M4号电机转动速度减小，所以无人机向左旋转。

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图2.9四旋翼无人机飞行器空中向左旋转运动示意图

操作者保证方向拨杆不动，将油门拨杆横向向右拨动，无人机的M1号电机

和M3号电动机转动速度减小，M2号电动机和M4号电动机转动速度增加，所以无人机向右旋转。

图2.10四旋翼无人机飞行器空中向右旋转运动

3、飞行控制系统的硬件设计

飞行控制系统可以分类为机体以及地面站平台，飞控硬件部分由四轴机架、飞控处理器、各类型传感器、遥控器、锂电池供电系统及其他附加模块等组成，四旋翼无人机在飞行过程中搞得的安全性和稳定性跟该部分又跟大的关系。所以，该款无人机采取了模块化的思想，将所有的功能区域划分为一个一个的小模块，所有的小模块之间又可以相互协同作业。这种思想的优点是将各个模块之间的相互干扰作用降至最低，保证无人机的可靠性和稳定性。

3.1飞控系统总体设计方案

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3.1.1 无人机稳定飞行前提条件

四旋翼飞机的外形结构虽然不是很复杂，但是内部各种传感器核处理器之间的相互协同作业却相当复杂。所以在设计无人机之前，我们要充分了解四旋翼无人机在空中飞行的姿态、各部分传感器之间是如何联系、我们需要达到一个什么样的飞行姿态等因素，综合理论知识以及自己的设计初衷，我觉得一个成功的无人机必须要拥有以下几个特征。 （1）飞行状态稳定

在无人机的各个动作中采用的是姿态闭环控制方式，同时配合各类传感器进行反馈调节，保证无人机飞行时的姿态平稳。 （2）定点高度控制

由于无人机在飞行过程中可能会要求在确定的高度进行某些作业，这样就要求我们的无人机能够做到定高的功能，常用的做法是采用高精度大气压力计配个GPS来定高。在这两个模块的共同控制之下，无人机就能够保证在我们设定的高度进行定高作业。 （3）GPS自动飞行控制

在无人机作业过程中，时常有操控者向无人机发送特定的指令参数等。这时候无人机就应该根据地面站发送的信号对无人机飞行姿态或者是无人机上附属的部件进行调整。在定点巡航动作中就是操控者发送目标区域的地理位置信息给无人机，无人机在接到信号后根据自带的处理方式完成定点巡航的动作。 （4）紧急状态自主控制

在实际环境中，由于无人机的动力来源是航模电池，而电池是一个有着特定容量的供体，当某个时候电池电量不足或者难以维持无人机飞行时无人机将会发生坠机或者是失控等危险。其次在某些特殊场合由于存在外界磁场等干扰，导致操控者无法准确操控无人机。所以，为了保证无人机飞行安全，在这些特殊情况发生之前，无人机必须提前做好检测和预警，一旦发生此类情况，飞控系统必须要在第一时间将信息反馈会地面操控平台并启动紧急模式，将无人机飞回起点。避免此类事故的发生。

(5)其他注意事项

除了以上四点常见的问题以外，我们还应该考虑到无人机的后期扩展以及

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体积重量等问题，毕竟无数电机的冗余量不大，在保证正常飞行的时候还要做出很多动作，所以我们在设计的时候应该讲所有的模块体积尽量减小，在保证不影响正常飞行的同时注意所有模块高度集中。同时留好冗余扩展空间便于以后其他模块的搭载。

图3.1飞行控制系统框架图

3.1.2飞行控制系统设计方案

根据3.1.1无人机稳定飞行的前提条件，结合相关理论知识。我们将本次无人机飞行控制系统的主设计框架确定为图3.1，该无人机由主控芯片、辅助姿态感知模块、无线数据传送模块、电机动力系统、无线遥控接收模块、航模电源模块以及其他操控台数据处理等模块组成。飞行控制器的工作是将各辅助传感器反馈回来的飞行信号以及操控台传送来的信号进行处理，同时也要完成飞行过程中飞行姿态微调以及控制算法的结算、动力系统信号的精准控制、无线数据图像的传讯等工作，在这款无人机中主控制器采用的是ARM公司生产的STM32F106高性能单片机，辅助状态感知模块主要有、精准三轴陀螺仪，抗干扰三轴磁传感器、高精度三轴加速度计、气压高度计等组成。机上所有模块供电由航模电池组，部

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分特殊电压通过小型变压电路取得。遥控器部分采用的是天地飞公司生产的天地飞9号2.4G遥控器，在后文具体介绍中会体现。无线数据以及图像传输模块采用的是华科尔300MHZ的数据传输模块以及图像传输模块。有效距离子啊1KM左右。

3.2主控制器模块设计

3.2.1主控制器模块选型

无人机上有很多辅助状态感知模块，也是就各类型传感器，无人机要做到精准操控、快速响应，其主控制器的数据处理速度以及反应速度一定要快，处理能力也一定要强。主控制器作为无人机的大脑，直接决定了无人机是否能够稳定飞行，能否做出我们想要的效果，所以主控制器的选择十分重要，我们需要注意的第一个就是处理器处理数据的速度一定要快，需要拥有强大的数据处理能力，同时要保证内部程序在执行过程中的稳定性，不能跑飞或者产生失误。；然后就是处理器必需内部存储空间丰富，能适应各种飞行状态的数据的存储。可适应各类飞行状态；最后还必需拥有足够的冗余接头，以适应飞控在以后功能扩展的需要。综上所述，本次无人机设计采用了ARM生产的一款处理能力强大，可扩展能力强的STM32F106微型控制单片机，这款单片机是基于Cortex-M3内核的微型处理芯片，其强大的功能完全能满足本无人机的相关要求。同时其功耗低、性价比高，能够作为控制系统主要处理器在多种场合使用，并且根据具体使用者的使用需求，STM32F103单片机还分为为功能型和加强型两个版本。为更多使用者提供了选择的空间。本次设计选用功能强大的STM32F103单片机。

图3.2 STM32F103RET6芯片实物

STM32F103RE同类型单片机的CPU处理速度最高可达到72MHZ，ROM内存

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512K，同时还有64K的RAM空间，其中12位的数模转换端口有3个。其模块自带高精度温度传感器，不仅可以测量单片机本身的温度，其测量的数据还可以作为整个控制系统温度的参考数据。然后该款单片机还拥有四个16位的一般定时器和两个高级定时器，并且还拥有一个12口的DMA ，另外还有附加的SPI数据传输口、串口通信口、CAN口、I2C通信口、USB口等等，其外部扩展资源非常丰富，外部扩展IO口数量高达51个。

3.2.2STM32主控制器硬件设计

无人机飞行控制系统硬件部分主要由单片机、电池组供电模块、复位模块、JTAG等模块组成。单片机处理器是整个飞控的核心部件，其电路图如图3.3所示。

图3.3 主控制器电路接线图 STM32单片机需要解决以下几个问题：

（1）进行传感器数据的采集，并且将采集回来的数据根据事先植入的算法进行无人机飞行姿态以及其他相关信息的分析处理。

（2）能够通过遥控接收机接受地面操控平台传输回的信号，将传回来的的信号通过电子调速器实现对无刷电机的精准控制。同时根据相关的飞行模式信号自主切换手动操控模式或自主飞行模式；

（3）能够自动调节PID的大小保证在飞行过程中各个动作的平稳性，在悬停模

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式下能够使无人机的自动校准平衡；

（4）能够将各类型辅助状态感知系统采集回来的数据经过处理之后传送回地面操控平台，并且保证数据传输的及时性和高保真性。

飞行控制器的动力全部由航模电池组模块提供，航模电池组模块是能保证飞控工作的基本条件。电源电路如下图所示。

图3.4 电源电路接线图

晶振电路是向控制器提供固定云顶速度的电路，单片机的运行速度由外带的晶振直接决定，所以该部分电路的重要性可想而知。根据单片机设计惯例和经验来说，对于在单片机外部加入晶振这种做法能够使得单片机运行更稳定，单片机处理速度还可以根据外部加入的不同晶振来改变。所以本次设计中STM32单片机也采用外部晶振的做法来提供时钟。根据以上条件，在本次设计中选择的是外置无缘晶振。同时为了便于无缘晶振更迅速的起振，采取了加入一个1M普通电阻的做法。

图3.5 时钟电路以及复位电路

3.3传感器模块的选择

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3.3.1 IMU传感器模块选择

无人机采用

IMU的目的是通过一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计来检测物

体的加速度状态及具体数值。三轴陀螺仪用于检测角速度变化量，所以无人机通过IMU收集的数据即可计算出无人机的飞行状态以及当前的航向角等。 3.3.1.1 IMU 模块分析

MPU-60X0 作为全球第一款九个方位的运动传感器。集成了众多高端的技

术。这款传感器综合了三轴美斯加速度计和三轴美斯陀螺仪，同时还加人了可以进行扩充的 DMP（Digital Motion Processor），在选择DMP之后内部系统即可利用I2C传输模式与其他的信号传感器进行交互连接，类似于磁力计等。在通过内部处理之后就可利用其自带的I2C数据口（或 SPI通信口）将检测到的九轴的信号传输给单片机。同时，该测量单元还能够利用其自带的I2C数据通信口与其他的数字传感器进行连接，类似于压力传感器等。MPU6050的系统结构如图3-所示。IMU先是对自身的位置情况进行检测，将检测到的三轴加速度信号和三轴角速率信号分别经过一个16为的AD转换器来转换，转换之后，将信号通过信号修整后储存到IMU的内部存储器，然后利用I2C数据通信口将修整后的信号数据传送出去。

图3.6 MPU6050的系统结构

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MPU-60X0传感器是通过利用3个16位的高精度模数转换器来对三轴陀螺仪

和三轴加速度计收集的信号进行模数信号转换，同时该款传感器还可以根据用户对精度的需要进行控制和修改。MPU-60X0 的陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g。同时传感器上还有一个 1024 bit的 FIFO存储器，有了这个存储器之后大幅度降低了该传感器的运算负荷并且可以加快数据处理速度。同时该IMU是采用400KHZ的I2C通信数据口或1MHZ的SPI通信数据口来与其他设备进行通信（注：SPI 接口仅 MPU-6000 芯片可支持）。

此外，MPU-60X传感器上还附带了高精度温度测量模块，同时还拥有在正常情况下只有±1%幅度变化的晶振。 该传感器的规格为 4mm×4mm×0.9mm，并且采用特殊QFN高强度封装，可以经受10kg以下的外力撞击，并有可多次擦写的低通滤波器。关于芯片工作电源，MPU-60X0可支持VDD范围2.5V±5%，3.0V±5%，或 3.3V±5%。另外 这款MPU-6050 还带有一个VLOGIC引脚，作为逻辑电平来供给I2C输出。VLOGIC电压可取1.8±5%或者是VDD。

图3.7MPU-60X0实物图

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图3.8MPU-60X0封装图

MPU-6050个引脚功能如表3-1所示。

表3.1各引脚输出和信号描述表

3.3.1.2 IMU模块电路设计

本设计中MPU6050的硬件电路图如图3.9所示。

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图 3.9 MPU6050 的电路连接图

IMU电路中所采用的电容器的型号如表3.2所示。

表3.2 MPU6050电容选用规格

图3.10 MPU6050实物图

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3.3.2 磁航向计模块设计

无人机在飞行作业的过程中，飞行路线的确定和灵活操控关乎着任务成功与否，由于这个重要性，我们选用的是HMC5883L。其依旧采用I2C作为数据通信方式。HMC5883L有数字信号传输口，它是一款贴装的弱磁性状态感知模块。由于其总集成度好、价格普遍较低，经常用于做磁罗盘以及其他需要进行磁检测等场所。HMC5883L包括了HMC118X 系列磁阻传感器，磁阻分辨率非常高，另外HMC5883L内部还集成了运算放大器、自动消磁模块、AD转换模块、偏差自恢复模块等功能部件，可以确保磁罗盘检测精度在 1~2°。 HMC5883L 内部示意图如下所示。

图 3.11 HMC5583L 内部结构图

磁航向计模块运用的是目前较先进的无铅封装，其设计有十六个IO脚，模块的规格为3.0×3.0×0.9mm。HMC5883L 的实物图和引脚封装图如下、图 3-13 所示。

图 3.12 HMC5883L 实物图和引脚封装图

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图 3.13 HMC5883L 电路连接图 图3.14HMC5883L 模块实物图

因为该传感器材质的特殊性，所以在部分磁场分布不均的场所，它的检测反

应速度会大幅度受影响。所以在对电路板设计的时候应注意在传感器旁边尽量避免防止带磁性的电子元件，并且要避免将传感器布置在大电流元件的周围。

3.3.3 高度传感器模块设计

常用于测量物体或者位置高度的方法有超声波测距、红外线测距、GPS定位

系统定高、气压计定高等。如下表3-3 所示。

表 3.3 常见的高度测量方法对比表

由表表3.3可知，在次无人机设计中采用气压计来对无人机进行定高。根据查表所得，目前常用的精密压力传感器有BMP085传感器 ，它的能耗低（在正常工作状态下的能耗时仅有5微安）、检测性能优越，并可广泛应用于各种便携式设备中。该传感器内部自带感知测量装置、模数变换器、RAM以及中央操控模块。感知测量装置在无人机飞行过程中进行相关数据（气压值、温度值）的采集，采集完毕后将采集到的模拟信号转换为数字信号，接着中央操控模块将 RAM 中提前

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储存的十一个补偿参考参数提取出来以便中央操控模块在后期对数据进行相关补偿处理。BMP085传感器同样也是采用的I2C通信，通过自带的I2C接口将相关信息数据传送至飞控核心单片机。经过STMF106单片机的相关数据数理计算之后即可得出目前无人机所处的高度以及该高度当前的温度。通过相关的计算就能够得到温度值和气压值，然后按照气压差计算公式根据测量测数值即可得出目前的高度。

图 3.15BMP085 的实物图和封装图

表 3.4 BMP085 引脚功能描述

图 3.16 BMP085 电路原理图

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3.3.4 GPS 定位模块设计

利用GPS卫星定位，可以在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简称GPS。无人机安装GPS定位模块之后可以通过GPS获取到相应经纬度，高度，飞行航向以及飞行路线，并且还可以用于无人驾驶自动飞行模式。

该设计所选用的高精度GPS模块是GPS公司生产的ATK-NEO-6M-V23，这是一款拥有高精度定位性能的GPS 模块，该模块有以下几个优势：

表 3.5 ATK-NEO-6M-V23 GPS 模块性能特点

该模块利用自带扩展通信口与外部核心单片机系统进行通信，该模块对4800、9600、19200、38400、57600、115200、230400 等不同的波特率都支持，同时兼容 5V/3.3V 单片机系统，可以非常方便的与飞控定位系统进行连接。该模块各参数如表3-6和表3-7所示：

表 3.6 ATK-NEO-6M 基本特性

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表 3.7 ATK-NEO-6M 电气特性

ATK-NEO-6M-V23 GPS模块默认的波特率为：38400。ATK-NEO-6M GPS 模块体积非常小，具体尺寸为24.5mm*32mm，其通过5个2.36mm间距的直排排针与处理系统相连接，对应的模块实物图如图 3-19 所示，各引脚的功能如如表3-8所示，

图 3.17 ATK-NEO-6M-V23 GPS模块 表 3.8 ATK-NEO-6M GPS 模块各引脚功能描述

此外，定位模块上面具有信号扩展接口，能够将外部的有源天线与

接收的信号更加稳定。如图3.18 所示：

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GPS模

块相连接，通过连接外部有源天线不仅能够增强GPS接收信号的能力，还能够让

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图 3.18 ATK-NEO-6MGPS模块和有源天线

ATK-NEO-6M 模块原理图如图 3.19 所示。

图 3.19 ATK-NEO-6MGPS模块和有源天线原理图

3.4 无线通信数据链

3.4.1 手持无线遥控器

在本次无人机配件中遥控器部分选用的是天地飞九 2.4GHz遥控器，这一块主要有天地飞九遥控器和 天地飞就接收机组成，天地飞九的遥控器部分和接收机部分的实物图分别如图3.20所示。 WFT09的主要特点如下：

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（1）采用超大液晶带中文字库的LCD、能够做到显示字码、图片

（2）采用原生2.4G技术跳频技术：采用内部快速传输数据技术，提升了操作敏捷度。

（3）采用低电压设计,减少电池消耗。工作电压为3.7V-6V。

（4）具有超强的抗干扰能力:采用高效扩频和跳频技术，支持50台遥控器一起工作而互相不会干扰。 （5）10 组机型数据存储。

（6）6 组可编程混控，可以大幅度提升飞行动作难度。 （7）优化的完善功能设计,操控自如。

图 3.20天地飞九遥控器及接收机实物图片

WFR07S 无线接收机的参数如下表所示。

表 3.9 九通道 2.4GHZ 接收机介绍

3.4.2 无线数据传输

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