论文总字数：19658字

摘 要

近年来，四旋翼飞行器发展迅速。它的设计简单、机动性、飞行灵活性、垂直起飞和着陆的能力、漂浮甚至完成一些高强度工作的能力，其卓越的特性使其应用非常广泛。本文详细描述了机械系统、定位系统、电子控制系统和软件系统。在机械系统中，首先分析四旋翼飞行器的运动机制；姿态测量部分，主要是对姿态解算和误差分析进行测量系统的数学建模；在电气控制系统中，首先设计和选择硬件电路，其次设计数字PID控制器。在软件部分，引入了完整的硬件驱动器和相关算法。

关键字：四旋翼飞行器 姿态测量系统 姿态融合 误差模型 飞控程序

ABSTRACT

In recent years, quadcopters have developed rapidly.Its simple design, maneuverability, flight flexibility, ability to take off and land vertically, ability to float and even perform some high-intensity tasks, and its outstanding characteristics make it widely used.This article describes mechanical systems, positioning systems, electronic control systems, and software systems in detail. In the mechanical system, the motion mechanism of the four-rotor aircraft is first analyzed,attitude measurement part, mainly for mathematical modeling of the measurement system for attitude calculation and error analysis. In the electrical control system, firstly design and select the hardware circuit, then design the digital PID controller. In the software section, a complete hardware driver and related algorithms are introduced.

Keywords：Quadrotor; Attitude measurement system; Attitude fusion; Errormodeling ; Flight control program.

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 设计意义及应用前景 2

第二章 四旋翼飞行器总体方案设计 3

第三章 四旋翼飞行器机械系统的设计 4

3.1 X模式的运动原理 4

3.2 机体的设计 4

3.2.1 机体设计的目标参数 4

3.2.2 机翼的设计 5

3.2.3 上半机体的设计 5

3.3.3 下半机体的设计 5

3.2.4 螺旋桨的选型 6

3.2.5 电动机的计算与选型 6

第四章 四旋翼飞行器电控系统的设计 7

4.1 电控系统总体结构的设计 7

4.2 电子控制系统的硬件模块 8

4.2.1 微控制器模块 8

4.2.2 姿态测量模块 10

4.2.3 电调模块的选型 12

4.2.4 电池的选型 12

4.2.5 无线遥控模块 13

4.3 控制系统的PID设计 13

4.3.1 PID控制器设计 13

4.3.2 PID控制方法 14

4.3.3 PID控制器程序实现 14

4.3.4 参数整定 16

第五章 四旋翼上位机及下位机 17

5.1 匿名上位机 17

5.1.1 匿名上位机功能 17

5.1.2 匿名上位机通信协议 17

5.2下位机程序模块 18

5.2.1 DMP使用方法 18

5.2.2 NRF24L01无线通信 19

5.2.3 无线接收机解码程序 20

5.2.4 电调驱动程序 20

5.2.5 姿态解算程序 21

5.2.6 PID控制器程序 21

第六章 四旋翼飞行器姿态解算 22

6.1 捷联式系统介绍 22

6.2 姿态解算 22

第七章 四旋翼飞行器的经济性分析和安全、环保................................................................24

参考文献 26

致谢 28

附录 29

第一章 绪论

1.1 引言

从布局形式角度来看，四旋翼飞行器是旋翼式飞机的一种。在上世纪初，国外就开始学习这种飞机，这种飞机最初是由军方研制和制造的。许多科技公司、大学和研究机构也开发并实现了自己的四旋翼飞机。2012年2月，在非营利组织Ted会议上，由种子基金会邀请宾夕法尼亚大学技术与应用学院（理学教授）和以他为首的研发团队，介绍了当时一些无人机的优缺点，以及军用四旋翼飞行器的多样化研发、勘探等行业。结构简单、体积小、重量轻是四旋翼较为明显的优点，而且四旋翼飞行器运动灵活，能实现简单的垂直升降悬停，甚至一些困难的飞行动作。这使四旋翼飞行器在无人机类表现出色，同时也显示了其研究和应用的价值和可能性发展。在军事打击、公安追击、应急搜救、农林、传输网络、空中侦察等多个行业，已成为四旋翼机发挥效益的平台。

1.2 四旋翼飞行器的国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

目前，国内外都在研究基于惯性导航系统和基于视觉功能的自主飞行控制系统。比如：瑞士洛桑EPFL的OS4、宾夕法尼亚大学的hmx4。

我们直接介绍OS4的第二代：OS4II可搭载230g锂电池自主飞行，尺寸参数：最大长度720mm，重量520g。OS4II与OS4I的不同点是：转子叶片范围更大，无刷发动机更轻，性能更高，使用皮带减速器代替电机驱动，在内部惯性导航系统的基础上实现了OS4II的自主浮动。宾夕法尼亚大学的hmx4最大长度为76厘米，重量为700克，身体下边缘有5个彩色标记。研究小组通过将整个系统安装在一个实验平台上的方法来计算飞机的三个角度和位置，并使飞机自主漂浮，随后，hmx4的研究团队开发了一个基于空中和地面摄像机的基于四旋翼飞行器控制的视觉定位系统，可以很好地完成一些特定任务，如在固定平台上自主起降或与地面移动机器人协同工作。

宾夕法尼亚大学的四旋翼机研究已经从一架飞机的控制发展到多架飞机的控制，研究的重点是多架飞机的协调实现编队、运动计算等算法，例如，宾夕法尼亚大学实施的四旋翼组可以分别演奏一种乐器。达到相互协调，完成交响乐演奏。目前，国外对四旋翼飞机

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