四旋翼飞行器

1、武汉纺织大学2014届毕业设计论文武汉纺织大学毕业设计（论文）任务书 课题名称：四旋翼飞行器的研究与设计 完成期限： 2014年3月1日至2014年6月6日 院系名称 电子与电子工程学院 指导教师 田裕康专业班级 电气102 指导教师职称 讲师 学生姓名 喻威 院系毕业设计（论文）工作领导小组组长签字 一、课题训练内容1. 使学生进一步巩固和加深对基础理论、基本技能和专业知识的认识与掌握，使之系统化、综合化。2. 培养学生综合运用基础知识和基本技能进行分析问题和解决实际问题的能力，将理论与实践结合。3. 培养学生的设计计算、工程绘图、实验方法、数据处理、文件编辑、文字表达、文献查阅、Micro

2、soft Office、Cadence、Altium Designer、Keil MDK、Quartus II等专业软件应用和程序调试等基本实践能力，以及外文资料的阅读和翻译的基本技能，使学生初步掌握科学研究的基本方法。4. 熟悉PCB制版的流程和方法.5. 培养学生利用单片机进行应用系统开发的能力，掌握单片机最小系统设计的一般方法和步骤。熟悉和掌握复杂系统的调试方法以及系统设计，了解惯性导航知识、自动控制、无线遥测的相关理论。6. 培养学生的学习能力和动手能力，以及与他们合作、交流的能力。7. 使学生树立符合国情和生产实际的正确设计思想和观点，培养严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具

3、有创新意识、善于与他人合作的工作作风。8. 使学生获得从事科研工作的初步训练，培养学生独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际问题的能力，尤其注重培养学生独立获取新知识的能力。武汉纺织大学2010届毕业设计（论文）二、设计（论文）任务和要求1、设计任务1) 以ATmega2560为核心，设计一个MCU的最小系统，并在此基础上通过编写C程序进行系统的开发。2) 能够实现SPI、IIC、UART总线上数据的接收和发送。3) 试用上位机，对数据进行图形化的显示和分析。4) 利用arduino软件，用C程序编写各功能模块。2、设计要求1) 要求系统运行稳定可靠。2) 能够实时读取SPI、IIC、U

4、ART总线上数据。3) 完成飞行器姿态的解算。4) 完成系统框图和详细原理图，并对各部分进行详细说明。5) 设计要考虑经济性、实用性和可靠性。6) 按武汉纺织大学毕业设计（论文）格式模板要求书写毕业设计报告。三、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料1、主要设计参数1) 读取各传感器数据2) 解算出飞行器的当前姿态3) 系统主频时钟：16MHz4) 系统供电电压：11.1V、5V、3.3V5) 功能扩展方便。2、主要参考资料1 M. Bendjedia, Y. Ait-Amirat, B .Walther, DSP Implementation of Rotot Position Detect

5、ion Method for Hybrid Stepper Motors, Power Electronics and Motion Control Conference, 2006.2 C.A. Patel, S. K. Rao, A Testbed for Mini Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle with Protective Shroud Wichita State University, Wichita,Kansas. 3 M. Bendjedia, Y. Ait-Amirat, B .Walther, DSP Implementation of

6、Rotot Position Detection Method for Hybrid Stepper Motors, Power Electronics and Motion Control Conference, 2006.4 Lilly White Kirt, Lee Dah-Jye, TIPPETTS Beau, An embedded vision system for an unmanned four-rotor helicopter, Proceedings of SPIE,the International Society for Optical Engineering.5 Er

7、yk Brian Nice, Design of a Four Rotor Hovering Vehicle, A Thesis in partial fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science, Cornell University, May,2004.6 Richard K. Arning and Stefan Sassen. Flight Control of Micro Aerial Vehicles.In AIAA Guidance, Navigation, and Control Confe

8、rence and Exhibit, 2004.7 胡宇群，微型飞行器中的若干动力学问题研究，博士学位论文，南京航空航天大学，20028 李朝青.单片机原理及接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2005.9 彭军桥.四旋翼蝶形飞行器D;硕士学位论文,上海,上海大学,2001.10 GPS700 Ll/L2 Antennas, NovAtel Inc, 2004.11 Castillo P, Dzul A, Lozano R. Real-Time Stabilization and Tracking of a Four-Rotor Mini Rotorcraf, IEEE Transact

9、ions on Control Systems Technology, 2004, 12(4): 510-516. 12 文治洪，胡文东，李晓京等.基于PL2303的USB的接口设计J.电子设计工程， 2010.13 黄旭,王常虹,伊国兴,等.利用磁力计及微机械加速计和陀螺仪的姿态估计扩展卡尔曼滤波器J.中国惯性技术学报.2005.13(2):27-30, 34.四、毕业设计（论文）进度表武汉纺织大学毕业设计（论文）进度表序号起止日期计划完成内容实际完成情况检查人签名检查日期2010.3.1-2010.3.5查阅资料，了解四旋翼飞行器的基本原理22010.3.6-2010.3.12确定方案，确

10、定系统框图，进行可行性分析，进行方案改进。32010.3.13-2010.3.18完成开题报告。42010.3.19-2010.3.22确定设计中要用到芯片的型号52010.3.22-2010.3.31绘制电路原理图，进行分析，替换不易购买的元器件，改正错误，改进不足，完善设计方案，确定最终的原理图。62010.4.1-2010.4.7绘制PCB图，并对所绘PCB进行查错，确定无误后送去加工。72010.4.8-2010.4.18完成样板焊接及硬件检测。82010.4.19-2010.4.25搜集编程相关资料和工具。92010.4.26-2010.5.12编写和调试C程序。102010.5.1

11、3-2010.5.20系统的联调112010.5.21-2010.5.26完成撰写毕业论文所需工作，并制作PPT，准备答辩。注：1.本任务书一式两份，一份院（系）留存，一份发给学生，任务完成后附在说明书内。2.“实际完成情况”和“检查人签名”由教师用笔填写，其余各项均要求打印，打印字体和字号按照武汉纺织大学毕业设计（论文）规范执行。56武汉纺织大学毕业设计（论文）开题报告课题名称四旋翼飞行器的研究与设计院系名称电子与电气工程学院专 业电气工程及其自动化班 级电气102班学生姓名喻威一、课题研究的意义飞行器（UAV）是指自身具备动力装置、不需要人工操控、可预设飞行的的飞行器；它利用空气动力来抵消

12、自身的重量，可以实现自主飞行或者遥控飞行；依据机翼类型可分为固定翼飞行器和旋翼飞行器。随着科学技术的不断提高，飞行器得到了迅速的发展，其在军事领域和民用方面都有着大量的应用，比如：应用于地面侦查、高空勘测、数据采集、通信中继、灾害救援等等，通过飞行器来完成上述的任务，不仅操作灵活，降低成本，还可以避免人员消耗。相对固定翼飞行器，旋翼飞行器的发展却较为缓慢，这是因为旋翼飞行器的控制较固定翼复杂，早期的技术水平无法实现飞行器的自主飞行控制；然而，旋翼飞行器却拥有其自身独特的优点：1）机械结构较为简单，只需协调旋翼电机的转速即可实现控制，飞行较为灵活；2）不受较大机翼的限制，能够应用于各种环境中；3

13、）具备垂直起飞、自主起飞和降落的功能，系统高度智能，可以实现较多的飞行姿态，例如：垂直悬停、俯仰升降、偏航转向等等，且飞行器姿态保持能力较高。这些优势也就决定了旋翼飞行器在未来将有着更为广阔的应用前景。随着旋翼飞行器越来越受到人们的关注，研究方向也更深更广，其涉及到众多领域的高精尖技术，如空气动力学、自动控制、惯性导航、传感技术、遥感遥测等等；目前随着四旋翼飞行器设计任务的到来，为研究和设计超小型飞行器创造了条件。当前，四旋翼飞行器的研究还处在初级发展阶段。随着微、纳米科技的迅猛发展和微电子机械系统(MEMS)的蓬勃兴起，在不远的将来，四旋翼飞行器必定会走向实用化，但目前急需解决的关键技术和难

14、点还很多，有些问题甚至在较长一段时间内都可能难以解决，只有用现有的技术尽最大可能地解决现有的问题，我们才能不断地走在科技发展的前列。二、四旋翼飞行器的发展现状近年来，随着微电子机械系统(MEMS)、捷联式惯性导航技术、动力锂电池技术、现代控制理论的蓬勃兴起，配合高速的低功耗处理器，使得开发和研制四旋翼飞行器有了重大突破，特别是四旋翼飞行器潜在的应用前景和使用价值，使其在较短的时间内就吸引了许多研究者的注意，出现了较多的关于四旋翼飞行器的研究论文和开发项目。国外对四旋翼飞行器的研究主要集中在三个方面：自主飞行器系统控制方案、基于视觉的自主飞行控制和基于捷联式惯性导航的自主飞行控制。典型代表分别是

15、：佐治亚理工大学的 GTMARS、瑞士洛桑联邦科技学院的OS4 和宾夕法尼亚大学的 HMX4。GTMARS是佐治亚理工大学面向火星探测任务而设计的CAD机系统，其动力子系统和飞行控制子系统的设计方案均在第 17 届美国直升机协会学生设计竞赛中获得第一名。它重 20kg，旋翼半径 0.92m，续航时间 30min。折叠封装的GTMARS随四面体着陆器登陆火星后，能自动将机构展开；能自主起飞和降落，巡航速度可达 72km/h；还能返回到着陆器补充能量。OS4 是瑞士洛桑联邦科技学院开发的一种电动小型四旋翼飞行器，研究重点是机构设计方法和自主飞行控制算法，目标是要实现室内和室外环境中的完全自主飞行。

16、2004年，OS4 I实现了基于多种控制算法(例如：PID、LQ、Backstepping、Sliding-mode)的姿态增稳控制。2006 年，OS4 II 已经实现了在室内环境中基于惯性导航的自主悬停控制。HMX4 机体底部有五个彩色标记，地面摄像头跟踪并测量标记的位置和面积，从而获得飞行器的三个姿态角和位置。目前已经实现了基于视觉的自主悬停控制，使用的控制算法是Backstepping。最近研究人员又开发了于机载和地面双摄像头的视觉定位与定姿系统，进一步提高了测量的精度。目前，国内的四旋翼机正在蓬勃发展，2009年5月21日，一台叫做“旋翼飞行机器人”的空中多功能自主飞行机器人在中国中

17、科院沈阳自动化研究所研制成功，并在灾害搜救的实际测试中取得很好的效果，并已经小批量地投入生产。据相关人员介绍，较大的四旋翼飞行器最长可在4小时中持续执行任务，并且速度可以达到每小时100公里，起飞时的自身重量为120公斤，并负担有效载荷40公斤；而较小一点的飞行器拥有最长2小时的续航时间，最大巡航速度可达每小时70公里，起飞是的自身重量仅仅40公斤，同时负担14公斤的有效载荷。三、本课题的研究内容本次课题设计的是一个四旋翼飞行器，系统具有很强的稳定性和可靠性，可以空中悬停、遥控飞行、自主飞行、GPS定点定位、任务执行。本文的主要研究内容包括以下几个方面：(1) 通信方法课题最终实现飞行器在无线

18、控制的条件下进行安全稳定的运动，设计采用常用的2.4G 作为通信频段，采用欧洲通用的小型机通信协议MAVLINK进行数据交互，在文中将详细讨论接收端控制数据的解码处理及如何实现对四旋翼飞行器进行控制。(2) 姿态解算方法姿态控制方法是四旋翼飞行器研究的重点，文中将介绍控制器如何采集姿态传感器数据，并对数据进行融合，根据融合的数据判断自身运动状态。(3) 飞行器电机控制方法在计算出自身姿态之后，飞行器需要控制电机来执行相应的姿态调整，论文中将详细介绍采用 PID 控制器来设计电机控制量，以及电机的驱动方式。四、研究方法及手段为了使系统在设计上结构清晰，可以方便的对系统进行修改和功能升级以及方便的

19、进行系统测试和调试，本系统采用模块化设计的思想。系统大致可以分为电源模块、MCU最小系统模块、传感器数据采集模块、电子调速器模块、GPS模块、遥控发送接收模块等六大部分。1. 系统硬件原理框图 系统的原理框图如图1所示。MCU芯片采用Atmel公司的Mega2560、陀螺仪采用Invensense公司的MPU6000、磁力计采用honeywell(霍利维尔)公司的HMC5883L、气压计采用MEAS(瑞士)公司的MS5611、电子调速器采用ZTW(中特威)公司的30A专用无刷电子调速器。图1 系统原理框图2. 系统硬件电路设计MCU最小系统和传感器数据采集系统是硬件电路设计的两个核心。其中，M

20、CU的最小系统主要包括电源电路、时钟电路、复位电路、各接口电路。(1) .电源电路的设计电源方面采用了两种供电方式：一是在USB总线连接到PC机上时，由USB给系统供电，二是当系统脱离主机时，由外接的5V直流电源供电。系统所需要的电压有11.1V、5V、3.3V，11.1V由电池提供，5V由LM2940降压得到，3.3V由TPS79133稳压得到(2) .MCU最小系统模块的设计MCU是整个系统的控制和处理核心，其稳定性尤为重要，包括MCU供电部分、时钟电路、复位电路、程序下载接口、数据交互接口等。(3) .传感器数据采集的设计本四旋翼飞行器的传感器有采用SPI协议的陀螺仪MPU6000和气压

21、计MS5611，有采用IIC协议的磁力计HMC5883L，故系统采用SPI和IIC和传感器交换数据。(4) .电子调速器设计由于本次四旋翼机采用无电刷无位置传感器的直流无刷电机，其驱动要采用三相电子换向器，所以采用了4个30A的专用无刷电机驱动板。(5) . GPS模块设计GPS模块采用UBLOX公司推出的高精度GPS模块LEA-6H，采用串口协议，以5Hz、9600bps波特率的速度输出标准的GPS数据格式。(6) . 遥控发送接收模块遥控发送和接收端的通信采用NRF24L01+芯片，该芯片是一款工作在2.42.5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片，输出功率频道选择和协议的设置

22、可以通过SPI接口进行设置。3. 系统软件设计本设计中的软件设计主要是C语言程序的设计。Arduino IDE是一个集成 AVRGCC库的开发环境，为设计者提供了开发、调试和下载的全部工具。系统程序的开发主要是包括四个方面的内容：系统初始化、数据的采集和传输、姿态解算、PID调整、遥控数据的处理。(1) . 系统初始化的C程序设计 系统上电后，MCU进行时钟配置的初始化，然后配置SPI、IIC、UART等外设，再初始化各传感器，进行传感器标定，零点采集，传感器校准。(2) . 数据采集和传输程序设计传感器自校准完成后，会进入数据采集和发送程序，在滴答脉冲的定时下，以200Hz的速度向

23、MCU发送采集到的数据，并进入下一次采集等待。(3) . 姿态解算程序设计姿态解算程序是四旋翼飞行器的核心。在接收到各传感器的数据后，MCU开辟出一块内存，将数据进行融合、滤波，然后通过四元数法，解算出飞行器当前的三姿态角，即滚转角roll、俯仰角pitch、偏航角yaw，根据得到的姿态角，判断飞行器是否处于平衡状态，然后输出PWM，通过电子调速器，控制每个无刷电机的转速，使飞行器保持平稳状态。(4) . PID调整PID是工业生产中最常用的一种控制方式，适用于需要进行高精度测量控制的系统。其中P为比例（proportion）、I为积分（integration）、D为微分（differenti

24、ation），正式由于PID的调整，才可以使飞行器稳定地飞行。(5) . 遥控数据的处理遥控发送部分，用另一MCU，通过AD采集6个电位器的电压，通过SPI，将数据传给无线模块NRF24L01+，然后模块将数据发送。遥控接收端，无线模块收到数据后，通过SPI将数据传递给MCU，MCU对数据进行校验，然后处理数据，根据数据处理结果，执行相应的操作。五、研究步骤本课题涉及到系统硬件电路设计和软件编程，基本的研究步骤如下：1.了解所需要的知识，确定基本方案。2.对设计中需要用到的器件进行选型，详细了解并翻阅其规格说明书。3.翻阅资料，了解所选控制器的内部资源及结构，并熟悉它的使用方法和编程技巧。4.

25、查阅各功能模块所使用的器件的相关资料，进行具体电路设计并绘制原理图。5.原理图经过评审之后进行PCB制版，并发往工厂制作。6.编写各子功能模块的程序，并做好时序仿真。7.将编译通过的程序下载到检测好的硬件电路上进行各模块调试。8.各模块调试通过后进行系统联调。9.完成设计。六、主要参考资料1 胡春华.纵列式无人直升机建模及非线性控制D.博士学位论文,北京,清华大学,2004.2 吴剑.碟形无人直升机总体设计技术研究D.硕士学位论文,南京,南京航空航天大学,2004.3 王守亮;基于蓝牙多旋翼微飞行器通信与控制的研究与实现D,硕士学位论文,上海,上海交通大学,2005.4 刘焕晔.小型四旋翼飞行

26、器飞行控制系统研究与设计D;硕士学位论文,上海,上海交通大学, 2011.5 彭军桥.四旋翼蝶形飞行器D;硕士学位论文,上海,上海大学,2001.6 聂博文,马宏绪,王剑,王建文.微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术J. 电光与控制.2007.(6). 113-117.7 王帅,周洋.用于危险区域物品清理的四旋翼飞行抓捕手J.兵工自动化.2011. (3).78-80. 8 秦永元.惯性导航M .北京:科学出版社,2006:289-300. 9 黄旭,王常虹,伊国兴,等.利用磁力计及微机械加速计和陀螺仪的姿态估计扩展卡尔曼滤波器J.中国惯性技术学报.2005.13(2):27-30, 34.

27、 10 赵鹤,王喆垚.基于 UKF 的 MEMS 传感器姿态测量系统J,传感器技术学报,2011,24(5): 642-646.11 高宗余,李德胜.多 MEMS 传感器姿态测量系统的研究J电光与控制，2010,17( 3): 68-70,97.12 梁延德,程敏,何福本,李航.基于互补滤波器的四旋翼飞行器姿态解算J.传感器与微系统,2011,30(11):56-58,61.13 于雅莉,孙枫,王元昔.基于多传感器的四旋翼飞行器硬件电路设计J.传感器与微系统, 2011,30(8), 113-115,123.14 杨永鑫.基于磁阻与加速度传感器的弹体姿态测量系统研究D.硕士学位论文,南京,南京

28、理工大学,2010.指导教师签名： 2014年5月30日武汉纺织大学2014届毕业设计（论文）摘 要四旋翼飞行器是一种新型的无人飞行器，涉及目前科学研究的多项高精尖技术，有相当重要的研究价值。本文论述的四旋翼飞行器主要用于低空航拍、地面勘察、环境监测、航模娱乐等载重量小的轻量级任务。论文首先阐述了四旋翼飞行器的发展，讲解了飞行的基本原理，然后介绍了四旋翼飞行器的基本设计思路。设计主要包括硬件电路的设计、飞行控制程序的开发设计。在硬件电路的设计中首先介绍了设计中所用到的MCU芯片ATMEGA2560，陀螺仪MPU6000、磁力计HMC5883L、气压计MS5611、GPS模块LEA-6H、无线模

29、块NRF24L01+的性能和特点，然后给出了具体硬件电路的设计方案。飞行控制程序的开发部分是此次设计的重点，论文先从总体上介绍了程序的设计思想，随后详细介绍了各子功能模块的设计过程，并给出了部分源代码和程序流程图。论文最后介绍了最终研究与设计制作出的实物成果，并进行了测试研究。测试表明，四旋翼飞行器系统实现了空中悬停、遥控飞行、自主飞行、GPS定点定位、任务执行，并可以外挂摄像头模块，进行空中航拍，达到了预期目的。关键字：四旋翼； 飞行控制； 陀螺仪； 加速度计； 姿态解算ABSTRACTThe quadcopter is a new unmanned aircraft, which is c

30、urrently involved in a number of sophisticated scientific techniques, and it has a very important research value. The quadcopter aircraft discusses in this thesis is mainly used for low-altitude aerial photography, ground surveys, environmental monitoring, HM entertainment deadweight small lightweig

31、ht tasks.Thesis describes the development of quadcopter aircraft, explains the basic principles of flight, and then introduces the basic design ideas of quadcopter. The design includes hardware design and flight control program. In the design of the circuit hardware, thesis introduces the performanc

32、e and features of the MCU chip ATMEGA2560, gyroscope MPU6000, magnetometer HMC5883L, barometer MS5611, GPS LEA-6H, wireless module NRF24L01+, then it gives specific hardware design of the circuit. The flight control program is the most important development of the design, followed by a detailed desc

33、ription of the design process for each sub-function modules, and it gives some of the source code and program flow.Finally, the thesis describes the outcome of the research and design. Testing shows that the quadcopter aircraft system achieves the air hovering, flying remote control, autonomous flig

34、ht, task execution, and photography, up to the desired purpose.Keywords: Quadcopter; Fly Control; Gyroscope; Accelerometer; Attitude solution 目 录1. 绪论11.1 课题的提出及意义11.2 课题的研究背景和现状21.2.1 早期四旋翼飞行器的研究21.2.2 四旋翼飞行器的现状21.3 四旋翼飞行器的结构及工作原理31.3.1 四旋翼飞行器简介31.3.2 四旋翼飞行器的结构组成31.3.3 四旋翼飞行器的特点41.3.4 四旋翼姿态的调整方法：41

35、.3.5 坐标系的建立71.3.6 飞行器绕X轴的角度横滚角(roll)与旋翼升力之间的关系91.3.7 飞行器绕Y轴的角度俯仰角(pitch)与旋翼升力之间的关系91.3.8 飞行器绕Z轴的角度偏航角(yaw)与旋翼升力之间的关系91.4 飞行器姿态的确定101.5 陀螺仪角速度传感器101.5.1 Gimbal陀螺仪111.5.2 MEMS陀螺仪111.5.3 角度测量111.5.4 陀螺仪选择121.6 加速度传感器121.6.1 加速度传感器的测量原理121.6.2 加速度传感器的选择131.7 姿态解算141.7.1 姿态解算概述141.7.2 融合算法分析141.8 无线遥控发送和

36、接收技术151.8.1 遥控通信频段的选择151.8.2 遥控器的设计161.9 电动机的PID控制161.9.1 PID概述161.9.2 PID的控制方法171.10 本章小结182 系统硬件电路设计182.1 总体设计182.2 电源模块设计192.2.1 5V稳压电路设计192.2.2 3.3V稳压电路设计202.3 主控模块（微控制器）212.3.1 微控制器(MCU)的选择212.3.2 微控制器(MCU)特性212.4 姿态传感器222.4.1 陀螺仪和加速度传感器222.4.2 陀螺仪和加速度计传感器电路232.4.3 磁力计HMC5883L242.4.4 气压计MS56112

37、42.4.5 GPS模块LEA-6H252.4.6 2.4G无线通信模块252.4.7 遥控发送与接收262.4.8 电子调速器263 系统软件的C程序设计273.1 总体设计273.2 系统初始化283.2.1 系统时钟设计293.2.2 控制参数初始化293.3 内部资源设置303.4 数据输入设计303.4.1 姿态传感器数据的输入303.4.2 遥控接收机数据的输入313.5 姿态解算的实现313.6 PID闭环控制的设计323.7 控制算法实现333.8 四旋翼飞行器设计实现343.8.1 实现结果343.9 本章小结354 结果分析及改进364.1 设计结果364.2 功耗分析37

38、4.3 算法分析374.3.1 姿态解算分析374.4 控制系统改进384.5 与目前国内外研究现状的比较384.6 本章小结395 总结与展望395.1 研究总结395.2 还需解决的问题405.3 未来的研究展望40参考文献41附录四旋翼飞行器原理图和PCB42附录四旋翼飞行器源代码43英文资料44中文译文50致 谢561. 绪论1.1 课题的提出及意义飞行器（aircraft）是指靠自带动力装置、人工辅助操控、可滞空、可预设飞行的装置；它利用螺旋桨提供的动力来抵消自身的重量，可长时间滞空，可自主巡航或者遥控飞行；飞行器依据机翼类型可分为固定翼飞行器和旋翼飞行器。随着现代科学技术的不断提高

39、，旋翼飞行器的研究得到了迅猛的发展，其在民用领域和军事领域的应用也越来越多，比如：应用于地面侦查、高空勘测、数据采集、通信中继、灾害救援等等，通过旋翼飞行器来完成上述的任务，不仅操作灵活，成本降低，还可以避免人员消耗。和固定翼飞行器相比，旋翼飞行器的发展较为缓慢，这是因为旋翼飞行器涉及自动控制、机电一体，较固定翼复杂，早期的科技水平无法满足旋翼飞行器的自主飞行控制；然而，旋翼飞行器却拥有诸多优点：1）机械结构简单，改变旋翼电机的转速就可实现控制，飞行灵活；2）没有庞大机翼的限制，能应用于复杂环境中；3）具备垂直起降、空中悬停和自主巡航等功能，机载电子设备高度智能化，在保证飞行姿态稳定的同时，可

40、实现垂直悬停、俯仰升降、偏航转向的特殊动作，静若处子，动若脱兔。随着现代自动控制理论的发展和微机电系统的日渐成熟，旋翼飞行器越来越受到人们的关注，研究方向也更深更广，其涉及到众多领域的高精尖技术，如空气动力学、自动控制、惯性导航、传感技术、遥感遥测等等；目前随着四旋翼飞行器设计任务的到来，为研究和设计超小型飞行器创造了条件。当前，四旋翼飞行器的研究还处在初级发展阶段。随着集成电路、纳米科技的迅猛发展和微电子机械系统(MEMS)的蓬勃兴起，在不远的将来，四旋翼飞行器必定会走向实用化，但目前急需解决的关键技术和难点还有很多，有些问题甚至在较长一段时间内都可能难以解决，只有用现有的技术尽最大可能地解

41、决现有的问题，我们才能不断地走在科技发展的前列。1.2 课题的研究背景和现状1.2.1 早期四旋翼飞行器的研究早在一百多年前的20世纪初期，国外就有专家学者开始了四旋翼飞行器的研究。Breguet-Richet四旋翼飞行器于1907年试飞，其有四个长为8.1米的旋翼十字支架，其中对角支架上的两个旋翼顺时针方向旋转，另外一对对角支架上两个旋翼逆时针方向旋转。飞行员坐在十字支架的中心位置，油门为唯一的控制设备，只能同时改变四个旋翼的转速，从而导致对飞行器极不稳定。在其起飞时，四个机架的顶端都需要有其他人员来辅助其稳定起飞。虽然自主飞行没有实现，但使用四个螺旋桨、对角的两个螺旋桨顺时针旋转旋翼和逆时

42、针旋转旋翼的思想是Breguet-Richet 四旋翼飞行器的显著特点，为以后的发展奠定的基础。1.2.2 四旋翼飞行器的现状近年来，四旋翼飞行器的控制理论和算法有了很大提升，研究四旋翼飞行器的文章和项目层出不穷，最具有代表性的有：瑞士洛桑联邦科技学院的OS4、澳大利亚国立大学的X-4 Flyer Mark、美国斯坦福大学的Mesicopter和STARMAC。瑞士洛桑联邦科技学院的OS4目前已经在Matlab/Smiulink仿真环境下进行了OS4避障模型的测试，还设计了避障控制器、基于位置和速度控制的5种不同避碰方法，并做了相关测试实验；澳大利亚国立大学的 X-4 Flyer M

43、ark在Matlab仿真分析表明，倒转四旋翼的结构有利于四旋翼的稳定飞行，并具有较高的抗干扰能力；美国斯坦福大学的Mesicopter目前已经完成了试验样机在一根短垂直杆上离地飞，STARMAC使四旋翼系统有可靠的、完全自主的航点锁定能力，具备多飞行器协同飞行水平；麻省理工学院目前的项目已完成了四旋翼对目标进行连续搜索、跟踪、多机协同和编队飞行等实验室内环境下四旋翼机的飞行演示，其中包括多架四旋翼对目标进行连续搜索、跟踪、多机协同和编队飞行等实验。佐治亚理工学的GTMARS是面向火星探测任务而设计的，能够自动将机械手臂展开、自主起降。续航30min、巡航速度可达72km/h、还可以返回到着落器

44、补充能量。他们的最终目标是实现室内和室外环境中的自主巡航和多飞行器协同完成具体任务。 1.3 四旋翼飞行器的结构及工作原理1.3.1 四旋翼飞行器简介四旋翼飞行器属于旋翼飞行器的一种，从外形来看，其可以看作四个具备相同功能的直升机组合，但却与直升机有着较大的差异。四旋翼飞行器拥有两对旋翼，对角线上的旋翼旋转方向相同，相邻旋翼旋转方向相反，这样一方面可以利用相互作用的原理来抵消掉各个旋翼产生的反扭力，而不用像直升机那样需要特殊的尾桨来消除反扭力；另一方面还可以通过调节两对角旋翼所产生的扭矩和升力大小，来控制飞行器的飞行姿态。四旋翼飞行器的姿态控制部件少，原理简单，转向灵活，操控灵敏，体

45、积小，重量轻，能耗低。1.3.2 四旋翼飞行器的结构组成图1-1四旋翼飞行器四旋翼飞行器的结构如图1-1中所示，组成主要包括如下部分：旋翼部分：该部分固定安放在机身的四个垂直轴的末端，为飞行器提供动力，其中包括四个螺旋桨(两对顺时针旋转、两对逆时针旋转)、电机以及一些固定部件。飞行控制部分：该部分安装在机身的中部，控制飞行器的姿态，是系统的核心。其中包括主控制器部分、遥控接收部分、姿态采集部分等等。机身：由两个互相垂直的机臂作为机架，用于固定旋翼模块和飞行控制模块，另外，在飞控部分和电机之间，安装了电子调速器来驱动电机。四旋翼飞行器的结构中，四个螺旋桨处于同一高度平面，机身的中心处安放飞行控制

46、部分，重心稳定，飞行控制部分能精确解算出飞行姿态，调整四个螺旋桨的转速，控制四旋翼的运动姿态。控制方式简单，控制部件少，其控制原理、工作方式也易被大众所接受。相比较传统的固定翼和直升机系统，四旋翼飞行器的结构主要有以下特点：(1) 四个螺旋桨同时产生升力。相比较直升机单桨产生的升力，四旋翼飞行器可负载更多，稳定性更强，当然更多桨翼(如六旋翼、八旋翼)飞行器的负载会更大，但是桨翼增加会带来控制上的复杂性，故这里选用四旋翼的结构形式。(2) 四旋翼结构对称，各旋翼间的干扰小。对角旋翼旋转方向相同，相邻旋翼旋转方向相反，具有对称结构，使得飞行器上下运动与其他运动之间无耦合；在理想情况下，俯仰运动与横

47、滚运动之间无耦合，这就给系统的分析和设计带来了很大的方便。(3) 四旋翼的姿态控制。飞行器在空中运动中，有基本的四种飞行状态，即：上下飞行（悬停）、前后飞行（俯仰）、侧向飞行（横滚）、水平转动（偏航），这四种飞行姿态，都是通过控制四个螺旋桨各自的旋转速度来实现的。1.3.3 四旋翼飞行器的特点四旋翼飞行器属于旋翼类飞行器，而旋翼类飞行器主要是通过改变每个螺旋桨升力的大小来控制飞行器的运动方式，与直升机相比，有如下异同：共同点：两者都属于旋翼类飞行器，无副翼、侧翼，故四旋翼飞行器符合直升机的空气动力学运动原理，分析时可以参考直升机的运动原理。不同点：(a)四旋翼飞行器只受螺旋桨和机体本身所产生的

48、力和力矩，而传统的直升机一般需要承受尾翼所产生的力和力矩，以抵消机身的反扭力。(b)四旋翼飞行器具备多个桨翼，是通过调整各个螺旋桨的转速，改变各个螺旋桨的升力和扭矩，调整和控制飞行器的飞行姿态，维持飞行器的飞行稳定。1.3.4 四旋翼姿态的调整方法：四旋翼飞行器的姿态、速度控制行为都是通过调整四个动力电机的转速来实现的，通过控制四个螺旋桨产生的升力和力矩来控制飞行器的飞行姿态，因此，整个四旋翼飞行器可以抽象成图1-2 所示的模型。图1-2四旋翼飞行器抽象图图1-2中，F1、F2、F3、F4分别代表前左后右四个螺旋桨产生的升力，M1、M2、M3、M4分别代表四个螺旋桨所产生的力矩；通过控制四个桨

49、翼产生的升力和力矩，即可让飞行器实现各种飞行姿态和运动方式；具体的运动方式如下： (a)上下运动上下运动包括四旋翼飞行器的空中悬停和垂直升降。如图1-3所示，当飞行器四个桨翼以相等的速度旋转时，各个桨翼所产生的升力大小相等，反扭力抵消，总的升力不等于飞行器自身重力时，飞行器就会垂直上升或者下降；总的升力等于自身重力时，飞行器就水平悬停，此时有F1=F2=F3=F4= G /4。（其中G为整个飞行器重量）图1-3四旋翼飞行器上下运动图(b)横滚运动横滚运动又称为左右运动，如图1-4所示，右边两个桨翼的转速高于左边两个桨翼转速时，右边桨翼所产生的总升力大于左边桨翼产生的总升力，机身将向左侧倾斜和运

50、动，此时有F1=F4，F2=F3，F1+F4> F2+F3，并且F1+F2+F3+F4= G。（其中G为整个飞行器重量）；同理，可以使机体向右侧倾斜和运动。图1-4四旋翼飞行器左右运动图(c)俯仰运动俯仰运动又称为前后运动，如图 1-5 所示，前边两个桨翼的转速低于后边两个桨翼转速时，前边桨翼所产生的总升力小于后边桨翼产生的总升力，机身将向前清晰和移动；同理，可以使机体向后侧倾斜和移动。此时有F1=F2，F3=F4，F3+F4> F1+F2，并且F1+F2+F3+F4= G。（其中G为整个飞行器重量）图1-5四旋翼飞行器前后运动图(d)偏航运动偏航运动是四旋翼飞行器的自我旋转运动。

51、如图 1-6 所示，当对角线上的一组螺旋桨的转速相同，而另一对角线上的螺旋桨转速不同时，由于产生的反扭力矩不能被相互抵消，飞行器将会发生自旋和转向。此时有F1=F3，F2=F4，F2+F4> F1+F3，并且F1+F2+F3+F4= G。（其中G为整个飞行器重量）图1-6四旋翼飞行器旋转运动图1.3.5 坐标系的建立为了研究飞行器的姿态，通常使用坐标系来辅助分析。坐标系有地球坐标系、机体坐标系、速度坐标系以及旋翼坐标系等，不同坐标系间可通过转换矩阵进行转换和归一。下面介绍设计中使用到的两种坐标系。(1) 机体坐标系如图1-7所示，建立机体坐标系。该坐标系以机体为参考对象，以机身的重心为参

52、考原点。X轴与前后螺旋桨连线平衡，前方指向X轴正方向；Y轴与左右螺旋桨连线平衡，右方指向Y轴正方向； Z轴与X轴、Y轴所在平面垂直，组成右手坐标系。图1-7机体坐标系(2) 地球坐标系地球坐标系指绝对水平坐标系，亦称NED坐标系或惯性直角坐标系，是三个互相垂直的向量轴（图1-8所示），满足右手正交法则，其原点与人体坐标系原点重合，N轴沿当地子午线指向地球正北方，E轴沿当地纬线指向地球正东方向，D轴指向地球中心，与重力方向重合。图 1-8地球坐标系(3) 两坐标系之间的关系当选择地球坐标系作为参考时，两者之间的关系如图1-9所示。图1-9机体坐标与地球坐标之间的关系图1-9中，Xb-Yb-Zb构

53、成机体坐标系，Xe-Ye-Ze构成地球坐标系；机体坐标可以表示为机体相对于地球坐标旋转运动的结果，其运动过程可以分解为绕三个轴的运动来描述，产生的角度变换描述如下：l 俯仰角(pitch)当飞行器做前后运动时，飞行器就要产生俯仰姿态，相对于地球坐标系就是：飞行器在 X-Z 平面进行绕 Y 轴运动，产生的角度即俯仰角(pitch)。l 横滚角(roll)当飞行器做左右运动时，飞行器就要产生横滚姿态，相对于地球坐标系就是：飞行器在 Y-Z 平面进行绕 X 轴转动，产生的角度即横滚角(roll)。l 偏航角(yaw)当飞行器做旋转运动时，飞行器就要产生偏航姿态，相对于地球坐标系就是：飞行器在X-Y平

54、面进行绕Z轴的运动，产生的角度即偏航角(yaw)。文中四旋翼飞行器的运动表示都将建立在这两种坐标系之中。1.3.6 飞行器绕X轴的角度横滚角(roll)与旋翼升力之间的关系如图1-10所示，飞行器在Y-Z平面内绕X轴旋转时，产生的横滚角(roll)主要通过左右旋翼产生的升力控制。图1-10飞行器绕X轴旋转的角度与F左、F右之间的关系1.3.7 飞行器绕Y轴的角度俯仰角(pitch)与旋翼升力之间的关系如图1-11所示，飞行器在X-Z平面内绕Y轴旋转，产生的俯仰角(pitch)主要通过前后旋翼产生的升力控制。图1-11飞行器绕Y轴旋转的角度与F前、F后之间的关系1.3.8 飞行器绕Z轴的角度偏航

55、角(yaw)与旋翼升力之间的关系如图1-12所示，飞行器在X-Y平面内绕Z轴旋转，产生的偏航角(yaw)需要通过控制前后左右四个旋翼才能达到效果，且旋转过程中，同一对角线上的两个旋翼转速保持一致，且不同对角线的旋翼转速不同。图 1-12 飞行器绕Z轴旋转的角度与四个电机之间的关系1.4 飞行器姿态的确定所谓姿态，是用来描述一个刚体的自身刚体坐标系和参考坐标系之间的角度、位置关系，常见的描述方式有欧拉角，也就是pitch，roll，yaw三个转角，另外还有四元数、方向余弦矩阵等描述方式。常见的姿态测量器件有陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计、超声波传感器、GPS、摄像头、红外传感器、光流传感器等等。目前在姿态算法的研究中，特别复杂的融合方式几乎融合了上述所有传感器的数据，综合处理这些数据，便可以获得较准确的姿态定位；然而针对四旋翼飞行器的研究和应用，受到嵌入式平台运算能力和飞行器载体空间大小的限制，传感器数据的融合将会简单化、最优化，因此需要选择一种廉价、轻量、易用的惯性测量单元（简称 IMU）来输出载体的姿态信息。设计中采用陀螺仪、加速度计、气压计和GPS来进行四旋翼飞行器的姿态测量，其相关知识具体介绍如下。1.5 陀螺仪角速度传感器陀螺仪是一种用于测量角度以及维持方向的角速度传感器，基于角动量守恒