毕业设计论文四旋翼飞行器PID控制器的设计

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摘要

近年来，随着新材料的涌现及新传感技术的发展，四旋翼飞行器迅速发展起来。四旋翼飞行器是一种具有四个对称旋翼的直升机，结构简单，机动性强，飞行灵活，可垂直起降，悬停甚至完成一些高难度飞行动作。它所具备的优越性能，使其应用前景十分广阔。

本设计主要介绍一种四旋翼飞行器的实现方案，以意法半导体公司生产的基于AMR Cortex-M3内核的STM32F103C8T6微型控制器作为计算控制单元，以Invensense公司生产的MPU6050作为惯性测量单元，整合飞行器姿态，以NRF24L01无线通信模块作为通信渠道，实现了上位机与下位机各项数据的实时传输，使用WFLY07遥控器实现了对四旋翼飞行器的无线遥控。本文详细介绍了四旋翼飞行器的飞行原理、硬件构造和软件设计，设计了一种PID控制器，实现了四轴飞行器的各项动作控制。

关键词：四旋翼飞行器，STM32F103，MPU6050，姿态解算，PID控制器

ABSTRACT

In recent years, with the new material and new MEMS technology, the quad-rotor obtains a rapid development .And that made it become a popular flight model among many model aircraft enthusiasts. Quad-rotor is a kind of symmetry with the advantages of simple structure, strong flexibility, It can take off and land vertically, In addition, it can also hover in the air and even do some difficult maneuver. Its superior performance has the very broad application prospects.

This design will introduce a scheme to make a quad-rotor. The design used STM32F103C8T6 which worked with the new-fashioned ARM Cortex-M3 micro processer as the control unit. In addition, a chip named MPU6050 was used to measure the attitude data of the quad-rotor,and the wireless communication module named NRF24L01 to make the PC and the quad-rotor communicate well. Besides, a WFL Y07 remote was used to control the quad-rotor. We stated the flight theory, and the structure of the hardware and software in detail importantly, a PID controller was designed to control the attitude and made it really worked.

Keywords：Quad-rotor，STM32F103，MPU6050，Attitude calculation，PID controller

目录

摘要............................................................................................................................................I ABSTRACT .................................................................................................................................... II 第一章四旋翼飞行器概述 (1)

1.1引言 (1)

1.2四旋翼飞行器的国内外研究现状 (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 (3)

第二章四旋翼飞行器飞行原理 (4)

第三章四旋翼飞行器常用部件及安装 (6)

3.1四旋翼飞行器部件介绍 (6)

3.1.1 风火轮450机架 (6)

3.1.2 新西达2212 930kv无刷电机 (6)

3.1.3 新西达30A电子调速器 (7)

3.1.4 1045正反浆 (8)

3.1.5 2200mAh 11.1V 30C 充电锂电池 (9)

3.1.6 飞行主控stm32f103c8t6 (9)

3.1.7 惯性器件MPU6050 (10)

3.1.8 天地飞7遥控器 (11)

3.1.9 天地飞7无线接收机 (12)

3.1.10 5V稳压电路 (13)

3.2 四旋翼飞行器的安装 (14)

3.2.1 飞行器硬件连接图 (14)

3.2.2 x模式和+模式的区别 (14)

3.2.2 安装事项 (15)

第四章四旋翼上位机及下位机 (16)

4.1匿名上位机软件平台 (16)

4.1.1 匿名上位机功能 (16)

4.1.2 匿名上位机通信协议 (16)

4.2下位机程序模块 (17)

4.2.1 DMP使用方法 (17)

4.2.2 NRF24L01无线通信 (18)

4.2.3 无线接收机解码程序 (18)

4.2.4 电调驱动程序 (19)

4.2.5 姿态解算程序 (19)

4.2.6 PID控制器程序 (20)

第五章四旋翼飞行器姿态解算 (21)

5.1 捷联式惯性导航系统介绍 (21)

5.2 姿态解算 (22)

第六章四旋翼飞行器PID控制器设计 (23)

6.1 PID控制器介绍 (23)

6.2 PID控制思想 (24)

6.3 PID控制器程序实现 (24)

6.4 PID控制器参数整定 (25)

第七章结论及存在的问题 (27)

第八章心得体会 (28)

参考文献 (29)

致谢 (30)

附录 (31)

第一章四旋翼飞行器概述

1.1引言

目前国内外对飞行器的研究主要包括三种：固定翼、旋翼及扑翼式，四旋翼飞行器在布局形式上属于旋翼式的一种。国外早在上世纪初期就开始研究四旋翼飞行器。这种飞行器由军方率先研发并制造用于情报侦查等领域。很多科技企业、大学及研究所也研发并实现了自己的四旋翼飞行器。

2012年2月，由美国种子基金会（The Sapling Foundation）运营的非盈利组织TED大会请出了美国宾夕法尼亚大学（University Of Pennsylvania）动力科学院（School of Engineering and Applied Science）的一位教授和他所带领的一个四旋翼飞行器研发团队，他们陈述了目前一些无人机的不足之处和四旋翼飞行器的优越性，并多元化展示了他们研发的四旋翼飞行器在军事，勘探等多种行业的多种用途。

事实上，很多无人机都需要专业的飞行控制团队进行远程操控，包括几个专业的飞行员，远程雷达感应操作员和团队协调员。除此之外，这些无人机在自身结构、体积、重量及成本等方面都有缺点。而四旋翼飞行器结构简单，体积小巧，重量轻便，机动性强，飞行灵活，可垂直起降，悬停甚至完成一些高难度飞行动作。这些优势使四旋翼飞行器迅速成为无人机领域冉冉升起的新星，也让人看到了它的研发价值和应用前景。很多行业如军事打击、公安追捕、灾害搜救、农林业调查、输电线巡查、航拍等都成为四旋翼飞行器体现其优越性的平台。

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，国内外对四旋翼飞行器的研究主要集中在3个方面：基于惯性导行系统的自主飞行控制、基于视觉功能的自主飞行控制和自主飞行器系统方案，典型代表有：瑞士洛桑联邦理工大学(EPFL)的OS4、宾夕法尼亚大学的HMX4。

OS4是EPFL自动化系统实验室开发的一种电动小型四旋翼飞行器，研究的重点是机构设计和自主导航算法，目标是实现室内和室外完全自主飞行。OS4I 最大长度约73cm，质量为235g；它使用了DraganflyerⅢ的旋翼和机架，4个Faulhaber1724电机，以及一个Xsense的MT9-B微惯性器件。通过万向节将飞行器固定在飞行测试平台上，使其在三个方向都可以灵活运动，便于调试。飞行器的能源供给、数据处理、电机驱动以及飞行控制都由外部提供。OS4已经基于PID、LQ、Backstepping及Sliding-mode等多种控制算法实现了飞行器姿态控制。

OS4第二代OS4II的机身最大长度72cm，重520g。机载230g的锂电池，可以自主飞行30min。它与OS4I的区别主要是：旋翼的桨叶面积更大，无刷电机更轻、功率更大，不用电机减速箱而改用皮带减速装置，主控器、惯性器件、电池和电机驱动模块等直接装在机体上。最终在室内实现了OS4II基于惯性导行系统的自主悬停。

宾夕法尼亚大学的HMX4最大长度76cm，重700g，机体底部有5个彩色标记。地面摄像头会实时跟踪并飞行器底部标记的位置与面积，从而计算出飞行器的3个姿态角和位置。研究人员将整个系统安装在一个实验平台上，使飞行器实现了自主悬停，使用的控制算法是Backstepping。之后HMX4的研究人员又研发出一种基于机载与地面双摄像头的视觉定位与定姿系统，进一步提高了测量精度。这种基于视觉的四旋翼飞行器控制可以很好地被用于执行一些特殊任务，如，在固定平台自主起飞、降落，又如，与地面可移动机器人协同工作等。

宾夕法尼亚大学的四旋翼飞行器研究已经从对单个飞行器的控制上升到对多个飞行器的控制。研究重点是多个飞行器之间协调实现队形排列，运动计算等算法设计，完成对飞行器机群的控制。比如宾法尼亚大学实现的四旋翼飞行器群可以分别演奏一种乐器，并可以实现相互之间的协调，完成一首交响乐的演奏。

目前国外四旋翼飞行器的研究发展迅速，美国、日本、韩国、澳大利亚和德国等在此项目上经验丰富，技术较为成熟。部分国外研发的飞控算法及制作的飞控板很多都已经进入我国并受到航模爱好者青睐，比如MWC飞控、KK飞控，MK飞控，因其开源，使用得较多。

1.2.2 国内研究现状

国内对四旋翼飞行器的研究也比较多。清华大学、北京航空航天大学、上海交通大学、浙江大学等都有对此项目有很大的研发投入并获取了一定研究成果。

深圳市大疆创新科技有限公司(DJI-Innovations，简称DJI)，成立于2006年。是全球领先的无人飞行器控制系统及无人机解决方案的研发和生产商。凭借对创新的高度投入，大疆研发并推出了多个具有业界最顶尖水平的产品系列，包括Ace系列工业无人直升机智能飞行控制系统和地面站控制系统，WooKong-M系列多旋翼控制系统级地面站系统，Spreading Wings筋斗云系列多旋翼专业影视航拍飞行器，包含了高清数字图传的Ruling如来系列多功能手持地面控制终端。此外，大疆还推出了专门针对模型和玩具市场的WooKong-H遥控直升机飞控系统，Naza系列飞控系统，Flame Wheel 风火轮系列轻型多轴飞行器等产品。

目前，国内有很多致力于开源四旋翼飞行器研发的科技企业及技术团队，最受欢迎的有匿名科创开发的匿名四轴，圆点博士小四轴等。匿名四轴的控制方法主要是对姿态欧拉角进行控制，圆点博士小四轴主要是对姿态四元数进行控制，控制效果都很好。这给很多电子技术爱好者提供了丰富的学习资料。

国内有很多针对多旋翼飞行器的技术论坛，也有很多技术论坛专门开设了四旋翼飞行器讨论版块，汇聚了众多四旋翼飞行器的爱好者，提供了飞行器技术学习和提升的平台。

1.3设计意义及应用前景

四旋翼飞行器的控制有很多难点。

首先，对四旋翼飞行器很难建立准确的动力学模型。因为飞行过程中，影响因素较多，且具有不确定性。其次，现代控制理论的控制器都要基于对被控对象的精确建模上，如果建模不准确，控制器的性能就会不理想。第三，利用惯性器件测算四旋翼飞行器姿态信息的准确度也是实现稳定控制的关键。毋庸置疑，对此飞行器的研究将会推进这三个问题的解决，是得人类对于复杂环境下的运动控制更进一步。所以，其研究价值非同一般。

四旋翼飞行器所具备的优越性能，应用前景十分广阔。可应用于军事侦察、监视、巡逻、获取情报等。可用于自然灾害之后的救援、搜索。可用于人难以到达的高压线、水坝、桥墩和地震后路段的检查，航拍和成图。还可用于各类勘探工作等。所以，从工程和理论的角度来讲，四旋翼飞行器的研究具有重要意义。

本设计做的飞行器就从小方面来讲，可以为我院的同学做一个引子。第一，可以引起大家对四旋翼飞行器的兴趣和热情。第二，对四旋翼飞行器的飞行原理和基础知识有详细认知，为后续同学打好基础。第三，在技术上进行一些先导性的尝试，总结相关的经验和教训，以供借鉴。

四旋翼飞行器集成了惯性导航技术、软硬件设计技术、自动控制技术、是一个多学科的综合平台，也是提高能力的平台。

第二章四旋翼飞行器飞行原理

四旋翼飞行器机架呈十字状，有四个螺旋桨分别位于十字架的端点处，如下图：

图1 四旋翼飞行器原理示意图

在任何一种模式下，四个螺旋桨顺时针编号为1、2、3、4号，其中1、3号为A组，2、4号为B组，其中，A组螺旋桨顺时针旋转，为正桨；B组螺旋桨逆时针旋转，为反桨。

四旋翼飞行器可分为两种模式，即＋模式和Ｘ模式。上图展示的是＋模式。

首先，以＋模式介绍飞行器的姿态角：Roll，Pitch，Yaw。这三个角反应了飞行器的对地姿态。

Roll角为横滚角，如图，设螺旋桨1为飞行器机头。机体绕X轴旋转产生与水平面的夹角，即为横滚角，角度正负与惯性器件的安装有关。

Pitch角为俯仰角，如图，机体绕Y轴旋转产生与水平面的夹角，为俯仰角，角度正负与惯性器件安装有关。

Yaw角为偏航角，如图，机体绕Z轴旋转产生原来XOZ面的夹角，为偏航角。

在＋模式下，A组螺旋桨与B组螺旋桨基本没有关系。实现基本的飞行动作只需调节一组螺旋桨的转速。当四个螺旋桨转速相同时，螺旋桨间的扭力矩相互抵消，实现飞行器姿态水平，如果增加螺旋桨的转速，可实现飞行器上升，下降等动作。当1、3号螺旋桨转速增加，而2、4号螺旋桨转速不变时，飞行器可以实现偏航。当1、3号螺旋桨转速不变，2号螺旋桨转速增加，4号螺旋桨转速减小，飞行器可实现横滚运动，即飞行器向左飞。当2、4号螺旋桨转速不变，1

号螺旋桨转速增加，3号螺旋桨转速减小，飞行器可实现俯仰运动，即飞行器向前后飞。由此，可以想像飞行器在不同螺旋桨转速下的飞行动作。

X模式与＋模式不太相同。在X模式下，飞行器的四个螺旋桨都要参与到飞行动作的调节中，将图1中机体坐标绕Z轴顺时针旋转45°，就是X模式下的机体坐标。此时，飞行器要实现飞行动作就要靠螺旋桨两两协调完成。当2、3好螺旋桨转速增加，1、4号螺旋桨转速减小，飞行器实现Roll方向的运动。当1、2号螺旋桨转速增加，3、4号螺旋桨转速减小，飞行器是实现Pitch运动。当1、3号螺旋桨转速增加，2、4号螺旋桨转速不变，飞行器实现Yaw运动。