摘要

　　四軸飛行器擁有四個(gè)旋翼，屬于多旋翼直升機。四軸飛行器具有四個(gè)成對稱(chēng)分布的旋翼。它通過(guò)控制四個(gè)旋翼的旋轉速度而非機械結構來(lái)實(shí)現各種飛行動(dòng)作。四軸飛行器具有成本低、機體結構簡(jiǎn)單、沒(méi)有機械結構、飛行穩定性好、重量輕、有利于小型化無(wú)人化等特點(diǎn)。因此可以應用在人無(wú)法到達的一些復 雜環(huán)境之中。目前四旋翼飛行器等多旋翼飛行器已經(jīng)在很多行業(yè)比如航空拍攝、遙感勘測、實(shí)時(shí)監控、軍事偵察、噴灑農藥中得到了廣泛的應用，并已經(jīng)形成了相關(guān)產(chǎn)業(yè)。四旋翼飛行器具有非線(xiàn)性控制、控制量多、飛行姿 態(tài)控制過(guò)程復雜等特性。

　　本課題基于實(shí)現四軸飛行器低成本小型化通用化的思路，通過(guò)研究剖析四旋翼飛行器飛行的原理，根據其數學(xué)模型和控制系統的功能要求，在MCU上實(shí)現了四旋翼飛行器的姿態(tài)數據的獲取、飛行姿 態(tài)解算以及飛行姿態(tài)控制。本課題硬件上采用stm32系列STM32F103C8T6 32位處理器作為主控制器負責分析處理數據，根據姿態(tài)運算結果，輸出電機控制信號：主要使用慣性測量單元MPU-6050等傳感器模塊用于姿態(tài)信息的檢測；采用場(chǎng)效應管驅動(dòng)電路來(lái)驅動(dòng)空心杯電機；藍牙模塊負責和上位機進(jìn)行通信以實(shí)時(shí)采集飛行數據便于分析測試。整個(gè)軟硬件系統均基于模塊化設計的思想。各傳感器采集飛行器的傳感器數據都使用通用數字接口和MCU進(jìn)行數據交換和通信。軟件上，編寫(xiě)飛行姿態(tài)控制軟件，在stm32單片機上實(shí)現了四元數法和卡爾曼濾波算法，解算出飛行器正確的姿態(tài)角，并使用PID控制進(jìn)行姿態(tài)角的閉環(huán)控制，穩定飛行姿態(tài)。實(shí)驗結果表明，本課題設計的四軸飛行器能夠較好的自主達到穩定飛行狀態(tài)，抗擾動(dòng)能力強。飛行姿態(tài)控制算法完全實(shí)現了使四旋翼飛行器能在室內平穩飛行的控制要求。

　　關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器：姿態(tài)控制算法； STM32;

Abstract

　　Quadrotor, also known as Four -rotor aircraft, is a basic form of multi- rotor  helicopter which has four symtrically rotors. It floats and moves by adjusting the  speed of rotor wings, instead of modulating its mechanical structure. Quadrotor  enjoys lots of strong points such as low cost, straightforward and lightweight body  without complicated mechanical structure, as well as excellent flight stability. Besides,  it also has the advantagcous character of miniature and laborless. So it can be applied  in some complex environments such as aerial photography, telemetry, real time  monitoring. military reconnaissance and pesticide spraying. thus has formed a  considerable industry interrelated. Yet this kind of four -rotor aircraft still has certain  blind side such as nonlinear control, heavy control volume and complex process of  controlling flying postures. This research was based on the idea of enduing  Quadrotors with practicality like low cost, miniaturization and general service through  analyzing the flying principle of this kind of four-rotor airaft, as well as acquiring  and calculating data about flying postures and cotolling them on the basis of MCU  according to its mathematical model and the functional requirements of the operating  system. The STM32F103C8T6 32-bit processor in stm32 series was applied as the  main contoller to analyze and process data, and to output the signals of motors in  terms of the results calculated. In addition, sensor modules like MPU-6050 were  mainly used for detecting gestures and other information, FET circuit was capitalized  on driving the coreless motors and Bluetooth module to communicate with the host  computer for collecting and analyzing the real-time fight data. The entire system of  software and hardware was based on the idea of modularized design. Sensor data  collected were all used to communicate with MCU through the IIC bus. Quaternion  and Kalman filter algorithm was implemented on stm32 SCM by the writing order  sequences into fight postures controlling software, and thus the corret atude angle  was resolved. Besides, PID was also adopted as closed-loop control for contolling the  attitude angle and stabilizing the flight ttitude. Results of this research show that this four-rotor aircraft designed in this projet can eficienty achieve the objective of stabilizing flight atitude autonomously with outstanding anti-disturbance capability.  What's more, the algorithm in calculating fight atitude control fully meets the  requirements of stable flying for which the four-rotor aircraft should perform.

　　Key words: Quadrotor; Attitude control; STM32

目錄

　　第一章緒論

　　1.1選題背景

　　多旋翼~飛行器最早出現于百年前的歐洲，由于其控制算法的復雜性，超過(guò)了當時(shí)的科技水平，早期的多旋翼飛行器因性能較差和體積龐大而無(wú)法實(shí)用化，僅僅停留于科研階段凹。近年來(lái)由于新材料（碳纖雄等）、新型微機電（MEMS）傳感器、微型慣性導航控制器（MIMU）以及計算機自動(dòng)控制算法的不斷發(fā)展和進(jìn)步，以四旋翼飛行器為代表的多旋翼飛行器得以在控制技術(shù)上取得巨大飛躍，.

　　開(kāi)始迅速實(shí)用化產(chǎn)業(yè)化。井星現小型化微型化的趨勢。逐步在許多行業(yè)嶄露頭角，進(jìn)入了人們的生活中心。四軸飛行器作為一種有代表性的多旋翼飛行器凹，具有體積小，重量輕，結構簡(jiǎn)單、性能可靠、控制靈活、飛行穩定的特點(diǎn)。因為四軸飛行器比起傳統直升機更為穩定和簡(jiǎn)便可靠，幾乎不會(huì )出現機械結構上的問(wèn)題，它能夠成為非常好的無(wú)人機平臺，以執行一些目前需要小型飛行器來(lái)執行的任務(wù)，可以進(jìn)入-一些不易進(jìn)入的環(huán)境之中進(jìn)行勘察和拍攝等任務(wù)。如火山、地震、洪水災區等。目前四軸飛行器的應用主要在以下幾個(gè)領(lǐng)域：

　　（I）航空拍攝因為四軸飛行器的小型化和靈活穩定的飛行性能又具有一-定的載重能力和續航能力，使得其可以搭哉拍攝云臺和攝像設備，實(shí)現一定范園內的航空拍攝任務(wù)。比起傳統的出動(dòng)有人操控直開(kāi)機或者固定翼飛機成本更為低康而且安全便捷。目前幾乎各種比賽賽事都有多軸飛行器執行航拍任務(wù)，是四軸飛行器應用最為廣泛的民用領(lǐng)域。

　　（2）小范圍實(shí)時(shí)監控四軸飛行器可搭載監控設備進(jìn)行--定范園內的偵查和監控任務(wù)，如軍事偵查、火災或犯罪現場(chǎng)監控等".四軸飛行器同時(shí)在軍事和民事警務(wù)領(lǐng)域有很廣閣的前最（3）地形勘察和農業(yè)四軸飛行器可以在一定范圍內攜帶勘察設備進(jìn)行農業(yè)、林業(yè)等拗察任務(wù)，有效節省人力資源。噴酒農藥也成為目前四軸飛行器商業(yè)運用的一個(gè)重要領(lǐng)域凹。

　　1.2國內外研究現狀

　　1.2.1國內四旋翼飛行器的研究現狀

　　當前四軸飛行器的研究在國內蓬勃發(fā)展起來(lái)并形成產(chǎn)業(yè)。已經(jīng)有許多的公司（如Dj大疆公司）將四軸飛行器等多軸飛行器實(shí)現了商業(yè)化應用。目前主要研究點(diǎn)主要集中在：

　　（1）四軸飛行器乃至多軸飛行器的婆態(tài)控制。

　　多軸飛行器的主要技術(shù)難點(diǎn)在于其飛行姿態(tài)控制系統。因為其旋翼多（一般為偶數個(gè)），因此多輸"飛行器的飛行婆態(tài)控制遠比傳統單軸直升機復雜。目前在此領(lǐng)域的研究主要是飛行姿志的數學(xué)建模。控制算法以及濾波理論。目前主要的有剛體旋轉理論、四元數理論、非線(xiàn)性數字濾波、級聯(lián)慣性導航、神經(jīng)元PID算法等控制理論的綜合研究和應用間。

　　（2）適用于多軸飛行器的新的傳感器技術(shù)發(fā)展及新材料的應用國內外目前也致力于新傳感器技術(shù)的發(fā)展和運用。出現了通用的整合一體的傳感器模塊，以及這些模塊小型化微型化，精度也越來(lái)越高，使得多軸飛行器的體積大大縮小。新的材料如碳纖維也運用于機架使得目前機體重量進(jìn)-一步降低，載重和續航能力進(jìn)-步提高。

　　（3）電機、電池領(lǐng)城技術(shù)的發(fā)展。

　　近年來(lái)，電機技術(shù)不斷發(fā)展。無(wú)刷電機和空心杯電機進(jìn)一步普及應用于多旋翼飛行器上。大大提高了多旋翼飛行器的動(dòng)力。鋰電池甚至燃料電池的出現和應用使得續航能力大大提高".

　　1.2.2國外四輸飛行器的研究現狀

　　目前國外在四軸飛行器的研究也是主要集中在飛行控制系統的新的理論的研究，比如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )控制算法、模糊控制算法等。國外還致力于四軸飛行器的脫離人遙控的自主飛行以及多機協(xié)同運作等方面的研究圓。

　　1.3四旋翼飛行器主要優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)

　　1.3.1四旋翼飛行器主要優(yōu)點(diǎn)

　　（1）擁有簡(jiǎn)單的機械結構。沒(méi)有傳統直升機復雜的旋翼控制機構。

　　（2）穩定得多的飛行姿態(tài)。

　　四軸飛行器有四個(gè)旋翼，沒(méi)有復雜的機械結構。同時(shí)飛行控制系統通過(guò)傳感器采集飛行委態(tài)數據，實(shí)時(shí)監測和控制飛行姿態(tài)，可以實(shí)飛行器保持平穩飛行。

　　相比傳統單旋翼直升飛機，四軸飛行器的飛行更為穩定。

　　（3）由于機械結構簡(jiǎn)單，容易將體積做得很小，可以實(shí)現自主飛行器的小型化微型化。

　　（4）四軸飛行器擁有四個(gè)電機。機身結構簡(jiǎn)單輕巧。所以其具有更大載重力1.3.2四軸飛行器的技術(shù)難點(diǎn)（1）在飛行過(guò)程中它不但受到本身軟硬件、機體結構等等因素的影響。還容易受到氣流等外部條件的干擾。比如其驅動(dòng)四個(gè)旋翼的電機產(chǎn)生的震動(dòng)和干擾。

　　使得加速度計的數據變化劇烈，含有大量振動(dòng)噪聲：電機產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì )干擾電子羅盤(pán)模塊的測量數據。

　　（2）四軸飛行器空間上具有6個(gè)自由度，有4個(gè)控制輸入啊。其控制變量多、傳感器多、數據量大、算法復雜、運算量大和干擾大的特性，使得飛行控制系統的軟件比一般直升機復雜得多。

　　（3）四軸飛行器的主要的姿態(tài)傳感器陀螺儀傳感器輸出變化緩慢。但是時(shí)間長(cháng)了有較大的累積誤差，而且還有溫度漂移。利用陀螺儀進(jìn)行物體安態(tài)檢測需要考慮到累計誤差的消除。加速度計比較敏感、變化速度快，使得加速度計在飛行過(guò)程中的采集到的數據帶有大量的噪聲（主要是由震動(dòng)產(chǎn)生的）。因此在四軸飛行器的飛行麥態(tài)控制系統中。必須將陀螺儀和加速度計的數據通過(guò)數據濾波算法進(jìn)行融合和濾除噪聲干擾，以此來(lái)得到正確的姿態(tài)數據。

　　1.4本文研究的主要內容

　　本設計課題研究的主要內容和思路就是嘗試使用通用的MCU小系統板，通用的運動(dòng)姿態(tài)傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、簡(jiǎn)單的空心杯小電機、簡(jiǎn)單機架等。

　　設計并制作--個(gè)小型的四軸飛行器。研究在MCU上應用相關(guān)的旋轉理論來(lái)解算飛行姿態(tài)、濾波和數據融合算法。實(shí)現對加速度計、陀螺儀等傳感器測量的數據進(jìn)行計算，使傳感器數據合成正確的飛行姿態(tài)數據。通過(guò)MCU對姿態(tài)數據解算，并控制電機，根據地理坐標系，調整和控制飛行姿態(tài)，從而初步實(shí)現飛行器自主的穩定的飛行控制。

　　本課題的主要技術(shù)難點(diǎn)在于：

　　（1）傳感器主要有加速度計和陀螺儀。這二者得到的數據分別是加速度（歸化到重力加速度場(chǎng)）和角加速度，必須對這兩個(gè)數據進(jìn)行運算。計算出歐拉角。

　　但是采用直接計算出歐拉角的的方法運算量巨大，處理速度緩慢。我們采用了四元數算法來(lái)實(shí)現將加速度和角加速度合成為歐拉角。我們就是要在MCU板上實(shí)現四元數算法和四元數到歐控角的轉換。

　　（2）四元數法將這二者的數據進(jìn)行四元數運算然后變換成歐拉角得到，然后是角度數據的濾波和融合，消除掉陀螺儀數據的累積誤差。從而得到較為準確的飛行器姿態(tài)數據。我們主要是通過(guò)四元數算法加上卡爾曼濾波算法，三軸加速度計和三軸陀螺儀的數據進(jìn)行濾波和融合，就能將二者數據合成為三個(gè)歐拉角的飛行嬰態(tài)數據。

　　（3）由得到姿態(tài)數據對比飛行器靜止水平時(shí)的要態(tài)值，得到偏差量。然后用偏差量控制四個(gè)電機通過(guò)PID控制方法來(lái)使飛行器達到平穩的飛行狀態(tài)。

　　本課題基于實(shí)現四軸飛行器小型化通用化的思路利用小型機架、空心杯電機等，采用加速度計、陀螺儀、電子羅盤(pán)、氣壓計等傳感器模塊，利用四元數法、濾波融合算法等設計并制作了小型的四軸飛行器，自主達到平穩飛行的狀態(tài).
　　1.5本文結構安排
　　本文的機構安排是這樣的：第-章是緒論。介紹四軸飛行器的性能和目前的應用現狀和研究現狀。第二章主要介紹四軸飛行器的原理、飛行器的坐標系、飛行姿態(tài)的數學(xué)表達和姿態(tài)數據的換算以及濾波算法，將卡爾曼濾波算法和互補濾波算法進(jìn)行比較論證。第三章主要介紹了四軸飛行器的軟硬件設計思路。硬件方面是硬件模塊選擇和設計。軟件方面是平穩飛行控制實(shí)現的思路，先進(jìn)行四元數姿態(tài)運算然后進(jìn)行卡爾曼濾波。第四章主要介紹了四軸飛行器穩定飛行姿態(tài)控制算法的實(shí)現。按照軟件思路介紹了基于四元數的姿態(tài)算法得出歐拉角。然后進(jìn)行卡爾曼濾波，最后描述了卡爾曼濾波的實(shí)現。第四章的最后分析了獲取的實(shí)飛姿態(tài)數據。最后一-章第五章是總結和展望。

　　第二章四軸飛行器飛行原理、飛行姿態(tài)及濾波算法

　　2.1四軸飛行器的飛行原理

　　2.2四軸飛行器姿態(tài)的表示和運算

　　2.2.1坐標系統的建立

　　2.2.2四軸飛行器飛行姿態(tài)的表示和換算

　　2.3濾波算法以及修正融合

　　2.3.1卡爾曼濾波

　　2.3.2互補濾波算法

　　2.4本章小結

　　第三章四軸飛行器的軟硬件系統架構

　　3.1硬件結構框圖

　　3.2硬件電路設計

　　3.2.1電機及其驅動(dòng)電路

　　3.2.2控制電路部分及傳感器模塊

　　3.3系統板實(shí)物圖

　　3.4軟件框圖及思路

　　3.5本章小結

　　第四章飛行姿態(tài)控制算法實(shí)現

　　4.1軟件初始化過(guò)程

　　4.2四元數法及其姿態(tài)解算的算法實(shí)現

　　4.2.1四元數運算及四元數轉歐拉角算法流程

　　4.2.2四元數運算流程

　　4.2.3卡爾曼濾波的算法實(shí)現

　　4.3PID算法、參數整定及其控制。

　　4.3.1PID算法的原理。

　　4.3.2四軸飛行器的PID調節原理

　　4.3.3四軸飛行器PID參數的整定

　　4.4四軸飛行器平飛實(shí)測數據及分析

　　4.4.1加速度計數據波形及分析

　　4.4.2陀螺儀數據波形及分析

　　4.4.3卡爾曼濾波融合后實(shí)測波形

　　4.5本章小結

　　第五章總結與展

　　望經(jīng)過(guò)反復設計、驗證和調試，本課題設計的四軸飛行器可以達到穩定飛行的狀態(tài)。本課題的思路是從小型化通用化的目標入手，探索了在arduio平臺上實(shí)現四軸^飛行器平穩飛行姿態(tài)的控制算法。

　　本次設計主要完成了：

　　1.小型四軸飛行器的硬件電路設計本課題的思路是實(shí)現四旋翼飛行器的低成本小型化通用化，以期構建一-個(gè)驗證多旋翼飛行器控制算法的平臺。具有易于調試和移植等特性。在此恩路的指導下，硬件上我們選用了通用的基于開(kāi)源架構的arduino stm32小系統板作為四軸飛行器的主控部分，以及相應的通用姿態(tài)測量傳感器MPU-6050等。在arduino的靈活開(kāi)放的架構下，可實(shí)現硬件模塊的靈活調整和快速地平臺轉換及移植。

　　2、在arduino開(kāi)源軟硬件架構下，研究了四軸飛行器平穩姿態(tài)控制算法的實(shí)現本課題主要的任務(wù)是在MCU上完成四軸飛行器飛行姿態(tài)控制系統的實(shí)現。

　　我們通過(guò)對于姿態(tài)傳感器測得的加速度和角速度讀取。通過(guò)使用四元數法將加速度和角速度運算得出四軸飛行器的姿態(tài)角即歌拉角，再通過(guò)卡爾曼濾波將得出的歐拉角與原先的角速度進(jìn)行融合和濾波，以消除干擾和累積誤差，最終得出了正確的飛行器姿態(tài)角，并最終成功達到了使四軸飛行器在室內平穩飛行的目的。

　　3、研究了四旋翼飛行器的測試飛行數據的方法和調試方法測試平臺上，我們采用了自制平衡木平臺來(lái)對四軸飛行器進(jìn)行參數測試和調整，主要用以調試飛行器的PID參數。

　　軟件上。我們使用了上位機軟件，和機載藍牙模塊進(jìn)行通信，以獲取飛行器的事實(shí)飛行姿態(tài)數據。以方便方便進(jìn)行分析和計算。

　　本課題探索出了一條四軸飛行器低成本小型化通用化的設計思路，研究并討論了數據濾波融合的兩種種算法，實(shí)現了四元數和卡爾曼濾波算法，測定了相關(guān)的數據。成功實(shí)現了四軸飛行器姿態(tài)的自主穩定。為今后多軸飛行器的設計和研究創(chuàng )新提供了思路。由于時(shí)間緊迫，井未做到四旋翼飛行器的無(wú)需人工遇控的自主飛行控制以及定高定點(diǎn)等功能，這些也是今后努力的方向。

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致謝

　　幾年的廈大學(xué)習生漣即將結束這篇碩士學(xué)位論文是對我幾年學(xué)習成果的-個(gè)總結，而這最后的致謝則想要表達對這三年來(lái)幫助過(guò)我的老師和同學(xué)們的深深的謝意，師恩如海，銜草難報，同窗情深，親如手足。

　　首先，我要對我的導師---鄭靈翔老師， 表示我最由衷的感謝。感謝那靈翔老師在我攻讀碩士學(xué)位的期間中對我所付出的一切心血。在論文的選題、搜集資料和寫(xiě)作階段，鄭靈翔老師都傾注了極大的關(guān)心和鼓勵。他的誶諄教誨令我茅塞頓開(kāi)。在我初稿完成之后，鄭老師在百忙中抽出時(shí)間來(lái)對我的論文認真的審閱和批改，字字句句把關(guān)，提出許多中肯的指導意見(jiàn)。鄭老師嚴謹的治學(xué)之風(fēng)和對技術(shù)的孜孜不倦的追求，在今后的道路上將不斷地影響和激勵我。我將永遠銘記鄭老師的教誨。在此對鄭靈翔老師表示由衷的感謝和崇敬。我要感謝校外導師華僑大學(xué)的戴再平教投。戴教投平時(shí)給予了我許多算法上的理論指導。戴教授淵博的學(xué)識和優(yōu)異的理論術(shù)平令我尊敬不已。在此同樣感謝戴教授給子的耐心細致的指導。

　　我還要感謝這三年來(lái)與我互勉互勵的諸位同學(xué)。陪我一起走過(guò)這段人生難忘的歷程。在各位同學(xué)的共同努力之下，我們始終擁有一個(gè)良好的生活環(huán)境和一個(gè)積極向，上的學(xué)習氛圍，能在這樣一個(gè)團隊中度過(guò)，是我極大的榮幸。

　　最后，我要感謝我摯愛(ài)的父母、愛(ài)人，在論文寫(xiě)作期間，他們給我極大的鼓勵和莫大的支持。感謝我可愛(ài)的兒子，正是活潑、可愛(ài)的他。使我在工作和學(xué)習時(shí)有了源源不斷的動(dòng)力！

　　在此感謝大家對我的支持與厚愛(ài)！

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