摘 要

近年来，在微电子和控制技术的长足进步下，四旋翼无人机也愈来愈受到普遍的关注。四旋翼无人机不仅具有体积小、机动性强、使用方便等优点，而且能够适应多种复杂的工作环境，因此四旋翼无人机拥有广阔的应用前景。本课题的任务要求是设计搭建一个四旋翼无人机的飞控平台，并能够实现四旋翼无人机的常规飞行动作，稳定可靠的完成相关任务的目标。

本文首先从四旋翼无人机的机体构造、飞行原理、坐标系的确立和飞行姿态的解算等理论数据对它的数学模型进行详细的分析，然后依据确定的模型进行PID控制器设计，通过实验多次测试，获取四旋翼无人机的各参数值，然后购买相关元器件。

本课题的四旋翼无人机主控制器采用ARM公司的STM32F103T8U6微处理器，采用Nordic公司的NRF24L01芯片设计数据通信模块，使用一个SOT23封装的场管SI2302作为电机驱动管，使用MPU6050芯片对传感器模块进行总体设计，软件部分是基于一套开源的飞控代码（Crazepony开源）进行开发，最后实现软硬件相结合完成飞控平台的设计与制作。

本课题最后对制作完成的四旋翼无人机进行了多次地面静态测试和现场飞行测试，测试结果表明四旋翼无人机能够较好的完成垂直升降、俯仰、翻滚、偏航等常规动作，稳定性和控制性能良好。

关键词：四旋翼无人机；飞行控制系统；开源；飞行试验

The design of the electric four-rotor uav control system.

Abstract

In recent years, with the rapid development of microelectronic technology and control technology, the four-rotor uav has received more and more attention.Four rotor unmanned aerial vehicle not only has the advantages such as small volume, strong maneuverability,, and can adapt to a variety of complex working environment, so four rotor unmanned aerial vehicles have broad application prospects.Task requirements of this subject is designed to build a four rotor unmanned aerial vehicle (uav) flight control platform, and can achieve a routine flight movements in the four rotor unmanned aerial vehicle (uav), complete a task goal.

This article first from the four rotor unmanned aerial vehicle body structure, principle, the establishment of coordinate system and flight attitude algorithm on it, a detailed analysis of the mathematical model, and then according to certain model PID controller is designed, through the experiment testing, obtain the parameter values of four rotor unmanned aerial vehicle (uav), and then to buy related components.

Based on the completion of the model, the design of the hardware platform of the four-rotor uav is developed.This subject adopts ARM stm32 microprocessor as the main controller, using MPU6050 chip to carry on the design of sensor module, adopt the Nordic companies NRF24L01 chip design and data communication module, using a field tube SI2302 SOT23 packaging as a motor driven tube.The software is developed based on a set of open source flight control code (Crazepony open source), and finally realizes the design and production of the flight control platform by combining the hardware and software.

This topic finally completed four rotor unmanned aerial vehicle for the scene of the multiple static testing on the ground and flight test, the test results show that the four rotor unmanned aerial vehicle (uav) can better complete vertical lift, pitch, roll and yaw regular action, control performance.

Key words: Four-rotor uav;Aircraft control system;Open source;Flight -testing

目录

1绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状及发展 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 2

1.2.3四旋翼无人机的发展趋势 2

1.3本文研究内容与章节安排 2

2飞行平台介绍 4

2.1任务需求分析和总体架构设计 4

2.1.1主要功能需求 4

2.2.2设计原则 4

2.2.3飞行控制系统总体架构设计 5

2.2系统主要模块选型 6

2.2.1机身及电池 6

2.2.2执行模块设计 7

2.2.3遥控系统 7

2.2.4传感器模块 8

2.2.5中央控制模块 8

3建立四旋翼无人机的数学模型 10

3.1四旋翼无人机的结构和飞行原理 10

3.1.1四旋翼无人机的结构 10

3.1.2四旋翼无人机的飞行原理 10

3.2四旋翼无人机数学模型的建立 12

3.2.1坐标系的建立 13

3.2.2姿态的解算 13

3.2.3 PID 控制器设计的基本原理 14

4四旋翼无人机的硬件设计 16

4.1硬件平台总体设计 16

4.1.1硬件平台总体架构设计 16

4.2器件选型说明和原理图设计简介 16

4.2.1控制系统 16

4.2.2动力系统 18

4.2.3原理图设计简介 18

5四旋翼无人机软件设计 24

5.1Windows下开发环境简介 24

5.2软件总体设计与初始化 24

5.2.1软件总体设计 24

5.2.2初始化 25

5.2.3主循环 26

6四旋翼无人机实验 29

6.1飞行试验准备 29

6.1.1飞行检查 29

6.1.2试飞试验注意事项 29

6.2试验内容 29

6.2.1飞行控制地面站测试 29

6.2.2现场飞行测试 31

7总结和展望 33

致谢 34

附录A 37

附录B 38

1绪论

1.1课题研究背景及意义

四旋翼无人机（Four-rotor Unmanned Aerial Vehicle）是一种新型的可垂直起降的小型无人机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的飞机^[1]。其具有机动性强、稳定性高、操作简单、环境适应能力强、耗资少、运动灵活和零伤亡等特点使其在民用领域和军事领域都备受青睐，表现出了极强的应用前景。

四旋翼无人机的飞行任务完成效率主要由它的各项性能而决定，而这些性能的差异尤其依赖于它的核心部件--飞行控制系统。随着行业深度发展的同时，四旋翼无人机飞控系统也越来越多样化，然而真正意义上可以达到性能优异、稳定可靠的飞控平台少之又少。所以，设计制作一款性能卓越的飞控系统对提高四旋翼无人机的性能指标和促进它的发展都具有实际的现实价值。

1.2国内外研究现状及发展

1.2.1国外研究现状

1956年，马克·阿德曼·卡普兰（Marc Adman Kaplan）设计的第一架真正的四旋翼飞行机ConvertawingsModel “A”，实现了悬停和机动^[2]。目前，外国有许多大学和研究单位正在紧锣密鼓的对四旋翼无人机技术进行研究，并取得了很大的进步。

宾夕法尼亚大学在一款四旋翼无人机的平台支撑下，通过搭建IMU和红外成像模块，实现了对无人机空中姿态的精准定位和控制，在这个基础上他们还进一步的实现了躲避障碍、机身翻转、目标识别和多机协调飞行等功能^[3]。

斯坦福大学在NASA的帮助下成功完成了Mesicopter 计划，该计划设计制作了一款超微型四旋翼无人机。15x15mm的方形结构机身，桨叶直径1.6cm，电机直径为4cm，总重325 克^[4]。

Mikro Kopter公司研制出的一款具有开源特性的四旋翼飞行机，受到了广大无人机爱好者的追捧，底层的编程控制接口直接控制四个电机的转速，同时允许写入自定义的姿态控制算法。用户能够开辟更丰富的控制功能，同时支持地面站飞行控制操作^[5]。

1.2.2国内研究现状