论文总字数：22635字

摘 要

四轴飞行器(Quadrotor)顾名思义是由四个电机组成的飞行器。因具备垂直起降、体积小、重量轻、造价低、控制灵活和性能稳定等特点，具有广阔的应用前景。民用方面可用于航拍、物流、救灾、农田打药、交通巡逻与目标跟踪等方面。它也可以完成复杂的任务，如可用于测绘地理信息、电力安全巡检、高速公路监测、追踪石油泄漏、地震等灾难后的户外救援。军事中对敌军侦察和监视，实时掌握对手的状态，做到知己知彼。无人机还可以执行诸如扫雷、投弹等特殊任务，其功能和用途非常广泛是现代战争不可缺少的置胜奇兵。

本设计主要从飞控和遥控两大部分展开设计，其中主控芯片均采用基于32位ARM Corex-M3内核，72MHz主控频率，64K FLASH，20K SRAM的STM32F103；飞控端搭载由三轴加速度计与三轴陀螺仪融合一体的六轴惯性测量单元MPU6050作为姿态欧拉角测量单元，MPU6050与飞行器MCU之间通过软件模拟的I2C协议以500HZ频率进行通信；飞控端MCU读取IMU数据经过滤波和融合处理后通过四元数微分方程计算出的姿态角，其中姿态更新频率为200KHz，控制更新频率为400Hz。最后运用串级PID控制算法，融合IMU和遥控的数据后通过MCU自带定时器产生PWM控制720直流无刷电机，以实现飞机的悬停、俯仰、横滚和偏航动作。飞控与遥控器之间的无线通信采用2.4GHz通信频段的NRF24L01模块，NRF24L01模块与MCU之间通过SPI协议以1MHz的通信速率通信；遥控器通过四路ADC采集摇杆的俯仰，横滚，偏航信息以及功能按键的状态发送给飞控，同时遥控器接收飞控的状态，姿态等数据并在LCD上实时显示。

关键词：四轴飞行器 自动控制 MPU6050 PWM

Design and Realization of Flight Control System for quadrotor

Abstract

Quadrotor is an aircraft composed of four motors as the name implies. Due to vertical takeoff and landing, small size, light weight, low cost, flexible control and stable performance and so on characteristics, quadrotor has a broad application prospects. Civil aspects can be used for aerial photography, logistics, disaster relief, farmland medicine, traffic patrols and target tracking and so on. It can also complete complex tasks, such as can be used for mapping geographic information, power security inspection, highway monitoring, tracking oil spills, earthquakes and other disasters after the rescue. Military aspects can be used for scout and monitor the enemy, real-time grasp the status of opponents. UAVs can also perform special tasks such as mine clearance, bombs and so on, their functions and uses are very broad and indispensable to the modern war.

The design is mainly from the flight control and remote control two major parts to the design, which both are based on 32-bit ARM Corex-M3 core, 72MHz master frequency, 64K FLASH, 20K SRAM STM32F103 processing unit. Flying control installed by Six - axis inertia measuring unit MPU6050, it integrating three axis accelerometer and three axis gyroscope, as Euler angle measurement unit. The MPU6050 communicates with the aircraft MCU through the software simulation of the I2C protocol at 500 Hz frequency. Flight control MCU reads IMU data. The wireless communication between the flight control and the remote control uses the NRF24L01 module of the 2.4GHz communication band. The NRF24L01 module communicates with the MCU through the SPI protocol at 1MHz communication speed. The remote controller collects the pitch, roll, Yaw information and the status of the function keys sent to the flight control, while the remote control to receive flight control status, attitude and other data and real-time display on the LCD.

Keywords：Quadcopter; PID Auto control; MPU6050; PWM

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题研究背景 1

1.3 四旋翼飞行器发展情况 2

1.3.1 国内外发展历史 2

1.3.2 研究现状 2

1.4 本课题所做工作 3

第二章 飞行原理和系统设计方案 4

2.1 四旋翼飞行器的飞行原理 4

2.2 四旋翼飞行器的力学建模 5

2.3 系统设计方案 7

2.3.1 系统硬件设计方案 7

2.3.2 系统软件设计方案 8

第三章 四旋翼飞行器硬件电路设计 9

3.1 硬件电路总体设计 9

3.2 各部分电路设计 9

3.2.1 电源电路设计 9

3.2.2 主控单元电路设计 11

3.2.3 无线通信模块电路设计 13

3.2.4 IMU电路设计 15

3.2.5 电机驱动电路设计 17

3.2.6 串口调试电路设计 19

3.3 PCB设计 20

3.3.1 PCB设计规则和技巧 20

3.3.2 PCB外形设计 21

3.4 实物介绍 21

第四章 系统软件设计 24

4.1 软件设计框图 24

4.2 飞控软件的设计 26

4.2.1 MPU6050数据读取 26

4.2.2 计算姿态角 27

4.2.3 PID电机控制 29

第五章 总结 33

参考文献 34

致谢 35

第一章 绪论

1.1 引言

随着社会的日新月异，科学技术水平的提高，电子技术，通信技术以及材料科学的飞速发展，无人机不仅在外观上更加独特新颖、体型上更为小型化，而且融入了人工智能，性能和功能更为稳定先进。

四轴飞行器是一种利用四个旋翼作为动力飞行的无人机。四轴飞行器与其他飞行器相比具备可垂直起降、性能强和灵活等特点。在飞机的研发设计中，对机组设备要求不像其他飞行器苛刻，其动力可由电或燃料产生。当然四轴飞行器体积小、重力轻这些都是其优势。

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