论文总字数：30487字

摘 要

四旋翼是一种结构简单、性能优越的能够垂直起降无人机飞行器，具有飞行灵活、带负载能力强等特点，这使其在军事、民用以及研究等领域都占据重要的地位。本课题基本实现了基于STM32开发的X字形四旋翼飞行器的实物实验平台的开发。

首先，先介绍了四旋翼无人机的基本原理，并给出了总体的设计框架。

其次，根据其自身特点，以STM32芯片为核心设计了四旋翼无人机实验平台的硬件方案。该平台主要由主控制板、陀螺仪、电机模块、电源等部分组成，其中主控制板负责飞行器姿态数据接收和飞行姿态控制。采用MPU6050模块经过卡尔曼滤波处理采集的数据并输出，用PID控制算法对数据进行处理调整电机转速，调整飞行姿态。

最后根据硬件设计方案设计相应的算法及软件。用四元数方法对传感器采集到相关的不同数据进行数据融合和姿态解算，以PID控制算法基本实现了对四旋翼无人机的飞行姿态控制。同时设计了一款基于C^#的上位机软件，能够与四旋翼无人机实验平台通过蓝牙模块进行通信，能将其基本飞行数据实时反馈到电脑上，便于直观显示分析、后期处理和参数的调整。

关键词：四旋翼飞行器、实验平台、控制算法、姿态解算

A four-rotor uav experimental platform

Abstract

The four-rotor is one kind of the unmanned aerial vehicle(UAV), which can takeoff and landing vertically. For the reason of simple structure, flexible flight and Superior performance,the four-rotor occupies an important position in military, civilian and research areas. This thesis preliminarily accomplished the establish of four-rotor test-bench which is based on core chip STM32.

First,this paper introduces the basic principle of four-rotor, and gives the overall design framework.

Secondly,according to its own characteristics, the experiment platform’shardware circuit was designed and built with the STM32 as the core chip.The platform consists of main control module,gyroscope module, power module and other modules, the main control board is responsible for receiving attitude dataofthe four-rotor and controlling the flight attitude. The MPU6050 was mainly used for collecting and putting out the attitude date after Kalman filtering. Using PID control algorithm to process the data to adjust the motor speed, so that flight attitude can be adjusted.

Finally, the thesis designs corresponding algorithms and software based on hardware circuit. This thesis use the quaternion method to collecting the different data for data fusionand attitude solution, and PID control algorithm can control the four-rotor flight attitude. At the same time, the thesis designs a master computer software based on C #, it can communicate with the platform via bluetooth module. Due to this software, the basic flight data can real-time feedback to the computer and it can be easier to analysising, processing and adjusting the data.

KEYWORDS: Four-rotor, Experimental platform, Control algorithm, Web Application,attitude algorithm.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题的背景和意义 1

1.2 国内外研究进展 1

1.2.1 四旋翼发展历史 1

1.2.2 国外研究进展 2

1.2.3 国内研究进展 5

1.3 论文研究内容 6

第2章 四旋翼无人机的基本原理和总体设计 7

2.1 四旋翼无人机的基本原理 7

2.1.1 四旋翼无人机的飞行原理 7

2.1.2 四旋翼无人机坐标的建立与转换 10

2.2 四旋翼无人机实验平台的总体设计 11

2.2.1 四旋翼无人机实验平台的需求分析 11

2.2.2 四旋翼无人机实验平台的总体设计 12

2.3 本章小结 12

第3章 四旋翼无人机实验平台硬件方案设计 13

3.1 四旋翼无人机实验平台硬件方案总体设计 13

3.2 无人机主体平台硬件设计 13

3.3 飞行控制模块硬件设计 14

3.3.1 主控芯片选型 14

3.3.2 飞行姿态检测模块选型 14

3.3.3 高度检测模块选型 16

3.4 动力系统模块硬件设计 17

3.5 遥控接收模块硬件设计 17

3.6 无线通信模块硬件设计 17

3.7 本章小结 18

第4章 四旋翼无人机实验平台软件方案设计 19

4.1 四旋翼无人机实验平台软件方案总体设计 19

4.2 四旋翼无人机实验平台姿态算法设计 20

4.3 四旋翼无人机实验平台控制算法设计 21

4.4 四旋翼无人机实验平台飞控软件具体实现 22

4.4.1 主函数的具体实现和功能介绍 22

4.4.2 定时中断中的函数实现 23

4.5 四旋翼无人机实验平台上位机软件设计 26

4.5.1 上位机通讯协议设计 26

4.5.2 基于C^#的上位机软件设计 27

4.6 本章小结 29

第5章 四旋翼无人机实验平台的实现 31

5.1 四旋翼无人机实验平台的搭建完成效果 31

5.2 四旋翼无人机实验平台的测试 31

5.2.1 四旋翼无人机实验平台的测试 31

5.2.2 四旋翼无人机实验平台上位机的测试 32

5.3 本章小结 33

第6章 总结与展望 35

6.1 现阶段工作总结 35

6.2 未来工作展望 36

本人在毕业设计期间发表论文 37

参考文献 39

致谢 41

绪论

课题的背景和意义

无人机(UAV ,Unmanned Aerial Vehicle )是指一种能通过遥控装置或者自带的程序算法自行控制的不搭载飞行员的飞行器^[1]。近几年以来，伴随着科学技术的不断发展和社会需求的持续增加，无人机因其体积小，不需要搭载操作人员，机动性能良好等显著优势，越来越受到社会各界的广泛关注。我们可以把无人机细分为固定翼和旋转翼。在过去的二十几年之中，固定翼的技术已经广泛的投入到了现实的使用之中，并且已经有了许多成功的案例，所以说其技术已经达到相对成熟。但是由于技术的阻碍，旋转翼的开发一直比较缓慢。由于旋转翼无人机有许多优点是固定机翼的无人机所没有的，比如：结构简单，起降方便，操作简便，成本低廉，姿态灵活，自由悬停等，所以对旋转翼的研究也是不可取代的。本课题所研究的四旋翼无人机属于旋转翼无人机中的一种。

四旋翼具有的得天独厚的性能优势，使它得以在各种恶劣环境中执行特殊、危险的任务。在军事应用方面来说，它能够搭载摄像监控设备进行低空侦察任务，追随设定目标并进行定位，拦截获取敌方情报等，在未来的战争中，甚至可以远程遥控四旋翼无人机搭载杀伤性武器对预设目标进行毁灭性打击。另外其在民用领域也得到了广泛的运用，比如对电线、管道线路的维护检测和故障查找，摄影航拍，森林防火灭火，植保技术，地质环境检测和评估等等，尤其是其在危险恶劣的环境下执行抢险救灾的搜救任务时的表现，充分显示出了它的无可替代的优势^[2]。

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