摘 要

四旋翼无人机是多旋翼无人机的一种，其体积小、质量轻、灵活便携，广泛运用于军用和民用领域。本文在现有四旋翼无人机研究基础上进行研究与设计。设计包括两个重要部分：航姿测量调节系统和飞行控制系统。航姿测量调节系统用于测量无人机的姿态、位置、速度等关键参数，为飞控系统提供无人机实时信息。飞行控制系统用来接收航姿测量调节系统反馈信息和遥控器信号，再运行飞行控制算法，解出相应控制指令，将其转为PWM信号传给电机驱动桨叶旋转，完成对无人机的飞行控制。论文还对无人机的导航和控制原理进行了介绍，采用欧拉角与四元数，根据牛顿力学定律对其进行运动学建模。接着，根据要求选择硬件。MEMS惯性测量元件选用MPU6050；电机驱动芯片选择L6234。运用Altium Designer软件绘制了电路原理图，完成对硬件电路的设计。最后对航姿测量调节系统和飞行控制系统进行程序设计，编写程序。

关键词：四旋翼无人机；航姿测量调节系统；飞行控制系统；飞行控制算法

Control System Design of Quad-rotor UAV

ABSTRACT

Quad-rotor UAV is one of the multi-rotor UAV, it is small, light, portable and flexible, which has been widely used in military and civilian. This article based on the existing research and study of quad-rotor UAV. The design of this article includes two important parts: Attitude heading reference system and flight control systems. Attitude heading reference system measures key parameters of UAV such as attitude, position, speed, etc. It provides real-time information for the UAV flight control system. Flight control system receives feedback information from AHRS and the remote control signal, and then it runs the flight control algorithms to get the corresponding control instruction, which was converted to PWM signal to the motor-driven rotating blade to complete the UAV flight control. This article also introduces the principle of navigation and control of UAV, Euler angles and quaternions are used in this article, the kinematic model is based on Newton's laws of mechanics. Then, choosing hardware according to the requirement. MPU6050 is chosen to be the MEMS inertial measurement component; L6234 is selected as circuit driver chip. Altium Designer software is used to draw the circuit diagram to complete the hardware design. The last part of the article is program design and write of AHRS and flight control system.

Key words：Quad-rotor UAV; Attitude heading reference system; Flight control systems; Flight control algorithms

目 录

1 绪 论 1

1.1课题背景及研究的目的和意义 1

1.2国内外在该领域的研究现状 1

1.2.1四旋翼无人机的国内外研究现状 1

1.2.2四旋翼无人机的航姿测量调节技术研究现状 4

1.2.3四旋翼无人机的飞行控制技术研究现状 5

1.3本文的主要研究内容 5

2 四旋翼无人机的总体设计 7

2.1引言 7

2.2四旋翼无人机系统的总体设计 7

2.2.1无人机飞行平台设计 7

2.2.2硬件系统总体设计 7

2.2.3软件系统总体设计 9

2.3四旋翼无人机的飞行原理与建模 9

2.3.1四旋翼无人机的飞行原理 9

2.3.2无人机飞行姿态描述与定义 11

2.3.3四旋翼无人机的建模 14

2.4本章小结 15

3 四旋翼无人机的硬件系统设计 16

3.1引言 16

3.2航姿测量调节系统硬件设计 16

3.2.1航姿测量调节系统的器件选型 16

3.2.2电源模块的电路设计 17

3.2.3主处理器的电路设计 17

3.2.4 MEMS器件电路设计 19

3.3飞行控制系统的硬件设计 19

3.3.1飞行控制系统的器件选型 19

3.3.2无刷直流电机的驱动电路设计 20

3.3.4分压电路设计 20

3.4本章小结 21

4 四旋翼无人机的软件设计 22

4.1引言 22

4.2航姿测量调节系统的程序设计 22

4.2.1基于多传感器的姿态融合算法 22

4.2.2姿态算解主程序 24

4.3飞行控制系统的程序设计 26

4.3.1 PD控制算法 26

4.3.2飞行控制主要程序 27

4.4本章小结 30

结论 31

致谢 32

参考文献 33

附录 34

绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

无人机是通过无线电遥控或飞控程序控制的无人驾驶飞行器。近年来，无人机在军用和民用领域使用范围日趋扩大，无人机的研究也取得了快速的发展。军事领域的应用包括敌对区域侦查、为部队投送补给、敏感区域风险或损伤评估、有害生化制剂检测等。民用领域的应用包括精准农林植保、自然灾害救援、地理测绘、气象监测以及家用消费等。在一些危险区域或无法抵达的地区，无人机的作用更加突出。由于没有人直接驾驶无人机，无人机的飞行控制系统显得非常重要，必须具备自动调整姿态、速度和运动轨迹的能力。四旋翼无人机是无人机最常见的一种，其问世已有一百多年，具有体积小、可灵活垂直起降、可自由悬停、运动性能好、控制简单以及成本低等特点。近些年，四旋翼无人机逐渐成为无人机领域的研究热点，由于其动力模型复杂，抗干扰能力差，对无人机的姿态测量系统和控制系统提出了很高的要求。

综上，开展四旋翼无人机的技术研究对于推动相关产业和技术发展、推动国防建设、创造经济效益等方面有重要意义^[1]。

1.2国内外在该领域的研究现状

1.2.1四旋翼无人机的国内外研究现状

1907年，Breguet兄弟研制的GyroPlane No.1飞行器成功载人试飞，它的体型较大，采用四旋翼设计，但是其没有安装任何飞行控制系统，飞行的稳定性差，续航时间也短。尽管如此，它完全称得上四旋翼无人机的先驱。四旋翼无人机的旋翼比传统直升机尺寸小，且机身体积小，降低了碰撞坠毁的机率，更安全灵活。但是，四旋翼无人机动力学模型比直升机更复杂，惯性导航体积重量过大，续航时间短，抗干扰能力差，因此在很长时间里发展停滞不前^[2]。