电子设计大赛四旋翼设计报告最终版
电子设计大赛四旋翼设计报告最终版
电子设计大赛四旋翼设计报告最终版四旋翼飞行器（A 题）参赛队号：20140057号四旋翼飞行器设计摘要：四旋翼作为一种具有结构特殊的旋转翼无人飞行器，与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活的在各个方向进行机动，结构简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。
因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察、灾害现场监视与救援等。
多旋翼无人机飞行原理上比较简单，但涉及的科技领域比较广，从机体的优化设计、传感器算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。
四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。
它使用直接力矩，实现六自由度（位置与姿态）控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。
此外，由于飞行过程中，微型飞行器同时受到多种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，模型准确性和传感器精度也将对控制器性能产生影响，这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。
因此，研究既能精确控制飞行姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。
2.1.1 方案一：选择Coldfire系列芯片作为系统控制的主控板，因为在以往队员们做过飞思卡尔智能车竞赛，对此系列的芯片做的比较熟悉，芯片功能强大，但以往做的核心板较大，所需的电路较多，考虑到四轴飞行器的轻便，故而不太是一个很理想的选择。
2.1.2 方案二：主控板使用STM32。
STM32板子的I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。
Stm32迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高。
综上所述，我们一致决定使用STM32 MMC10作为此次大学生电子竞赛的主控板。
2.2 飞行姿态的方案论证：2.2.1 方案一：十字飞行方式。
四轴的四个电机以十字的方式排列，x轴和y轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整，角度融合简单，适合初学者，能明确头尾，飞行时机体动作精准，飞控起来也容易。
电子设计大赛四旋翼飞行器报告
选题编号：C题全国大学生电子设计竞赛设计报告选题名称：多旋翼自主飞行器主办单位：辽宁省教育厅比赛时间：2015年08月12日08时起2015年08月15日20时止摘要多旋翼飞行器也称为多旋翼直升机，是一种有多个螺旋桨的飞行器。
本设计实现基于ATMEGA328P和R5F100LEA的四旋翼飞行器。
本飞行器由飞行控制模块、导航模块、电源模块和航拍携物模块等四部分组成。
主控模块采用ATMEGA328P芯片，负责飞行姿态控制；导航模块以G13MCU为核心，由陀螺仪、声波测距等几部分构成，该模块经过瑞萨芯片处理采集的数据，用PID控制算法对数据进行处理，同时解算出相应电机需要的PWM增减量，及时调整电机，调整飞行姿态，使飞行器的飞行更加稳定；电源模块负责提供持续稳定电流；航拍携物模块由摄像头、电磁铁等构成，负责完成比赛相应动作。
飞行器测试稳定，实现了飞行器运动速度和转向的精准控制，能够完成航拍，触高报警，携物飞行，空中投递等动作要求。
关键词：四旋翼，PID控制，瑞萨目录摘要................................................................................................................................ i i1.题意分析 (1)2.系统方案 (1)2.1 飞行控制模块方案选择 (1)2.2 飞行数据处理方案选择 (1)2.3 电源模块方案选择 (2)2.4 总体方案描述 (2)3.设计与论证 (2)3.1 飞行控制方法 (2)3.2 PID控制算法 (3)3.3 建模参数计算 (3)3.4 建立坐标轴计算 (4)4.电路设计 (5)4.1 系统组成及原理框图 (5)4.2 系统电路图 (5)5.程序设计 (6)5.1 主程序思路图 (6)5.2 PID算法流程图 (7)5.3 系统软件 (7)6. 测试方案 (7)6.1 硬件测试 (7)6.2 软件仿真测试 (7)6.3 测试条件 (8)6.4 软硬件联调 (8)7.测试结果及分析 (8)7.1 测试结果 (8)7.2 结果分析 (9)8.参考文献 (9)1.题意分析设计并制作一架带航拍功能的多旋翼自主飞行器。
TI杯四旋翼飞行器要点
2014年TI杯大学生电子设计竞赛报告A题：四旋翼飞行器摘要:小型四旋翼飞行器是一种通过对四个旋翼联合驱动而实现垂直起降的无人飞行器，是一个模块化、具有较高硬件灵活性和较好操控性的平台装置，这个平台装置能够为科学实验、工程监控、气象监测、灾害预警等提供很好的应用平台。
本文以自制小型电动四旋翼飞行器作为研究平台，通过对MPU6050传感器测得运动数据研究，实现对其空中运动姿态的数学描述，建立完整的动力学模型，并针对姿态解算方法和飞行控制算法展开研究，最终完成飞行器的稳定悬停等研究目标。
关键词：四旋翼飞行器；MPU6050传感器；运动姿态；动力学模型；稳定悬停。
目录一、系统设计要求................................................ - 1 -1. 1、任务.................................................. - 1 -1. 2、设计相关要求.......................................... - 1 -1.2.1 、基本要求............................ 错误！未定义书签。
1.2.2、发挥部分......................................... - 1 -二、系统方案论证与选择.......................................... - 1 -2.1 、系统基本方案.......................................... - 2 -2.1.1、处理器选取方案.................................... - 2 -2.1.2、轨迹探测模块选取方案................. 错误！未定义书签。
2.1.3、高度传感器选取方案................................ - 3 -2.1.4、平衡传感器选取方案................... 错误！未定义书签。
四旋翼无人机毕业设计
四旋翼无人机毕业设计编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（四旋翼无人机毕业设计）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。
本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为四旋翼无人机毕业设计的全部内容。
渤海大学本科毕业论文（设计）四旋翼无人机设计与制作The Manufacture and Design of Quad Rotor UnmannedAerial Vehicle学院(系）：专业：学号：学生姓名：入学年度：指导教师：完成日期：摘要四旋翼无人机飞行器因为它的结构简单，而且控制起来也很方便，因此它成为了近几年来发展起来的热门产业。
在这里本文详细的介绍了四旋翼飞行器的设计和制作的过程，其中包括了四旋翼无人机飞行器的飞行原理，硬件的介绍和选型，姿态参考算法的推导和实现，系统软件的具体实现。
该四旋翼飞行器控制系统以STM32f103zet单片机为核心，根据各个传感器的特点，采用不同的校正方法对各个传感器数据进行校正以及低通数字滤波处理,之后设计了互补滤波器对姿态进行最优估计,实现精确的姿态测量。
最后结合GPS控制与姿态控制叠加进行PID控制四旋翼飞行器的四个电机，来达到实现各种飞行动作的目的。
在制作四旋翼飞行器的过程中,进行了大量的调试并且与现有优秀算法做对比验证，最终设计出能够稳定飞行的四旋翼无人机飞行器。
关键词：姿态传感器；四元数姿态解算; STM32微型处理器；数据融合；PIDThe Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned AerialVehicleAbstractQuad—rotor unmanned aerial vehicle aircraft have a simple structure，and it is very easy to control, so it has become popular in recent years. Here article describes in detail the design and the process of making the four—rotor aircraft，including Quad-rotor UAV aircraft flight principle，hardware introduction and selection，implementation and realization of derivation attitude reference algorithm，the system software 。
毕业设计四旋翼飞行器
毕业设计四旋翼飞行器毕业设计四旋翼飞行器近年来，随着科技的不断发展，四旋翼飞行器成为了一个备受关注的话题。
无论是在军事领域还是民用领域，四旋翼飞行器都展现出了巨大的潜力和广阔的应用前景。
作为毕业设计的选题，四旋翼飞行器无疑是一个令人兴奋的选择。
首先，让我们来了解一下四旋翼飞行器的基本原理。
四旋翼飞行器是一种通过四个对称排列的螺旋桨产生升力，从而实现飞行的无人机。
它的优点在于灵活性高、悬停能力强、机动性好等。
这些特点使得四旋翼飞行器在航拍、勘测、救援等领域有着广泛的应用。
在设计四旋翼飞行器时，我们需要考虑多个方面。
首先是结构设计。
四旋翼飞行器的结构设计涉及到机身、螺旋桨、电机等多个部分。
合理的结构设计能够提高飞行器的稳定性和操控性。
其次是控制系统设计。
四旋翼飞行器的控制系统包括飞行控制器、遥控器等。
优秀的控制系统设计能够提高飞行器的飞行性能和安全性。
最后是能源供应设计。
四旋翼飞行器通常使用电池作为能源供应，因此需要考虑电池容量、充电时间等因素，以确保飞行器的续航能力。
在毕业设计中，我们可以选择不同的方向来进行研究。
一方面，我们可以研究四旋翼飞行器的稳定性和控制性能。
通过对控制算法的优化和飞行器结构的改进，提高飞行器的稳定性和操控性，使其能够在不同环境下完成各种任务。
另一方面，我们可以研究四旋翼飞行器的应用领域。
通过对不同应用领域的需求和特点的分析，设计出适应性强、功能多样的四旋翼飞行器，开拓新的应用市场。
当然，在进行毕业设计的过程中，我们也会面临一些挑战。
首先是技术挑战。
四旋翼飞行器涉及到多个学科的知识，如机械设计、电子技术、控制理论等。
我们需要充分利用所学知识，结合实践经验，解决技术上的问题。
其次是资源挑战。
进行四旋翼飞行器的设计和制作需要一定的资金和设备支持。
我们需要合理安排资源，确保毕业设计的顺利进行。
然而，面对挑战，我们更应该看到四旋翼飞行器的巨大潜力。
四旋翼飞行器不仅可以应用于军事、航拍等领域，还可以用于环境监测、物流配送等领域。
报告
摘要为了满足四旋翼飞行器的设计要求，设计了以微控制器为核心的控制系统和算法。
首先我们进行了各个单元电路方案的比较论证，确定了硬件设计方案。
飞行器以16位微控制器R5F100LEA作为控制核心。
采用电调将直流转化为交流，驱动无刷直流电机，该电调具有控制简单的特性。
通过超声波测量高度反馈到MCU，控制四旋翼的高度；通过陀螺仪采集飞行器的角度，然后反馈到主控板，运用PID控制算法调整飞行器的姿态。
采用摄像头采集地面信息，实现了飞行器搜寻内沿黑线及指示线等功能；运用互补滤波算法将陀螺仪和加速度计融合起来，更好的控制姿态；实际测试表明，所采用的设计方案先进有效，完全达到了设计要求。
关键词：四旋翼；PID；循迹；超声波；R5F100LEA单片机目录1系统方案的设计与论证 (3)1.1系统总体框架 (3)1.2方案论证与比较 (3)2 理论分析与计算 (5)2.1 四旋翼飞行器动力学原理 (5)2.2 四旋翼飞行器的数学模型 (5)2.3四元数控制算法 (7)2.4姿态控制算法 (7)3系统的硬件电路设计 (9)3.1 系统硬件框图 (9)3.2模块的硬件设计原理图 (9)4飞行器的软件设计 (12)4.1系统程序流程图 (13)4.2互补滤波算法 (14)5测试方法和结论 (15)5.1 测试方案及测试仪器 (16)5.2 测试数据 (16)5.2.1基础部分A到B (16)5.2.2 基础部分B到A (16)5.1.3 发挥部分 (16)5.3 测试结果分析 (17)6小结 (17)参考文献 (17)附录1：电路原理图 (18)附录2：部分源程序清单................................... 错误！未定义书签。
1系统方案的设计与论证1.1系统总体框架根据题目分析，四旋翼飞行器需要在指定的地点飞行和指定的地点停止，由于飞行区域有指示线来为四旋翼飞行器导航，故本设计采用相应循迹模块为飞行器导航，同时采用测距模块测量实时的检测飞行器的高度，以使飞行器通过示高线，同时设计采用常见的姿态调整传感器——陀螺仪和加速度传感器来调整飞行器的飞行姿态，并且使用搬运模块实现飞行器的携带功能，系统框图如图1.1所示。
毕业设计论文四旋翼飞行器PID控制器的设计
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。
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。
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。
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。
201X电子设计大赛四旋翼自主飞行器_(B_题)
2013年全国大学生电子设计竞赛论文【本科组】课题:四旋翼自主飞行器（B 题）摘要为了满足四旋翼飞行器的设计要求，设计了以微控制器为核心的控制系统和算法。
首先进行了各单元电路方案的比较论证，确定了硬件设计方案。
四旋翼飞行器采用了固连在刚性十字架交叉结构上的4个电机驱动的一种飞行器，以78K0R CPU內核为基础,围绕新的RL78 CPU內核演化而来的RL78/G13作为控制核心，工作频率高达32MHz，工作电压1.6V-5.5V，适合各种类型的消费类电子和工业应用, 满足8/16位微控制器的需求，有助于降低系统功耗，削减总系统的构建成本。
采用9926B MOS管芯片的驱动直流电机，该驱动芯片具有内阻小、负载电流大、且控制简单的特性。
通过采用MPU-6050整合的3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense 的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，实现了四旋翼飞行器运动速度和转向的精准控制。
通过HC-SR04超声波测距模块实现了对四旋翼飞行器飞行高度的准确控制。
通过激光传感器，实现了四旋翼飞行器沿黑线前进，在规定区域起降，投放铁片等功能，所采用的设计方案先进有效，完全达到了设计要求。
关键词：四旋翼自主飞行器，红外，寻线，超车，单片机1、系统方案的设计与论证1.1 系统总体框架整个系统分为系统模块、角度检测模块、电机驱动模块、电源模块、显示模块。
各模块的系统框图如图1所示。
图1 系统模块框图1.2 方案论证与比较(1)控制模块传统的51单片机广为应用，具有使用简便、便宜价格等优点，但是其运算能力较低，速度较慢，功能相对单一，难以实现较复杂的任务要求。
四旋翼飞行器设计
摘要本设计采用瑞萨R5F100LEA单片机作为主控制器。
超声波传感器实时发送飞行高度数据给主控系统，主控制器通过判断、分析、处理产生控制信号进而控制各个电机，使其在不同的飞行高度具有不同的速度，保证了飞行器在某一高度范围内飞行；主控制器读取MPU6050陀螺仪的数据，通过对采集数据的分析，使飞行器做出相应的姿态调整，来保持飞行器能够平稳飞行；激光传感器能够对白色场地上的黑线进行识别，达到循迹的目的。
本设计通过对飞行控制系统的总体框架设计，实现了飞行控制系统的硬件设计和软件设计，并对设计中的关键技术问题进行了研究，最终实现了四旋翼飞行器的一键启动自主飞行控制。
关键词：R5F100LEA 传感器姿态控制四旋翼飞行器1. 四旋翼自主飞行器简介1.1 结构形式四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。
四旋翼飞行器的结构形式如图 1.1 所示。
图1.1 四旋翼飞行器结构形式1.2 工作原理传统直升机是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。
四旋翼飞行器与此不同，是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。
由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力部稳定，所以需要一种能够长期保稳定的控制方法。
四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。
但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。
图 1.2 四旋翼飞行器垂直和俯仰运动四旋翼飞行器结构形式如图所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。
四旋翼毕业设计
四旋翼毕业设计四旋翼毕业设计在现代科技的快速发展下，无人机已经成为了人们生活中不可或缺的一部分。
而四旋翼无人机作为其中的一种，其灵活性和多功能性得到了广泛的认可和应用。
因此，本文将围绕四旋翼无人机的毕业设计展开讨论。
一、设计目标和需求分析在进行毕业设计之前，首先需要明确设计目标和需求。
四旋翼无人机的设计目标可以包括飞行稳定性、载荷能力、飞行时间等方面。
需求分析可以从用户的角度出发，考虑到无人机的实际应用场景，如航拍、物流配送、农业植保等。
二、机身结构设计机身结构设计是四旋翼无人机设计的核心之一。
在设计过程中，需要考虑机身材料的选择、机身形状的设计以及机身强度的保证。
同时，还需要考虑到机身的重量和体积，以便于无人机的携带和操作。
三、飞行控制系统设计飞行控制系统是四旋翼无人机设计中的关键部分。
它包括飞行控制器、传感器、电调等组成。
飞行控制器负责控制四个电机的转速，从而实现无人机的稳定飞行。
传感器用于感知无人机的姿态和环境信息，以便于控制器做出相应的调整。
电调则负责控制电机的转速和方向。
四、电力系统设计电力系统设计是四旋翼无人机设计中的另一个重要方面。
电力系统包括电池、电机和电调等组成。
在设计过程中，需要考虑到电池的容量和电压，以及电机和电调的匹配。
此外，还需要考虑到电池的充电和续航能力，以确保无人机能够持续飞行。
五、通信系统设计通信系统设计是四旋翼无人机设计中的关键环节。
通信系统包括遥控器和无线数据传输模块等组成。
遥控器用于操控无人机的飞行和功能，无线数据传输模块用于传输无人机的姿态和环境信息。
在设计过程中，需要考虑到通信的稳定性和传输的速度，以确保无人机能够及时地接收到指令和发送数据。
六、安全性和可靠性设计安全性和可靠性设计是四旋翼无人机设计中的重要考虑因素。
在设计过程中，需要考虑到无人机的防护措施，以防止碰撞和意外事故发生。
同时，还需要考虑到无人机的自动返航功能和故障检测机制，以确保无人机在出现故障时能够及时地返回或报警。
电赛四旋翼飞行器
2014年电子设计竞赛四旋翼自主飞行器（G题）2013年9月11日目录摘要关键词 (1)一系统方案 (2)1.1控制系统的选择 (2)1.2飞行姿态控制的论证与选择 (2)1.3电机的选择 (2)1.4高度测量模块的论证与选择 (2)1.5电机调速模块的选择 (2)1.6循迹模块的方案选择 (2)1.7薄铁片拾取的方案的论证与选择 (2)1.8角速度与角加速度测量模块选择 (3)二设计与论证 (3)2.1控制方法设计 (3)2.1.1降落及飞行轨迹控制设计 (3)2.1.2飞行高度控制设计 (4)2.1.3飞行姿态控制设计 (4)2.1.4铁片拾取与投放控制设计 (4)2.2参数计算 (5)三理论分析与计算 (5)3.1Pid控制算法分析..............................................................................................5.3.2飞行姿态控制单元 (6)四电路与程序设计 (7)4.1系统组成 (7)4.2 原理框图 (7)4.3电路图 (8)4.4系统软件与流程图 (9)五测试方案与测试条件 (11)5.1测试方案 (11)5.2测试条件 (11)六结论 (11)附录 (12)附一：元器件明细表 (12)附二：仪器设备清单 (12)附三：源程序 (12)摘要：本系统由数据采集、数据信号处理和飞行姿态和航向控制部分组成。
系统选用STC89C52单片机作为主控芯片，对从MPU-6050芯片读取到的一系列数据进行PID算法处理并给飞行器的电调给出相应指令从而达到对飞行器的飞行姿态的控制。
采用MPU-6050芯片采集四旋翼飞行器的三轴角速度和三轴角加速度数据。
用红外传感器来检测出黑色指示线，以保证飞行器不脱离指定飞行区域及达到指定圆形区域。
利用超声波传感器来检测飞行器与地面的距离，以保证飞行器能越过一米示高线。
全国大学生电子设计竞赛试题设计报告
2017年全国大学生电子设计竞赛试题设计报告四旋翼自主飞行器探测跟踪系统（C题）【本科组】廖聪，吴雨航，张锦华摘要：根据四旋翼飞行器飞行原理，首先根据设计方案采购了飞行器机体模型，选择合适的直流无刷电机作为系统动力装置，选取了功能强大且容易开发的微处理器、传感器和相关电子元器件，并做了大量的系统软硬件调试工作，最终完成了整体设计。
根据系统动力学模型设计控制算法，设计控制系统控制规律，主要包括两个控制回路姿态控制回路、位置控制回路。
在仿真软件平台上，进行控制算法验证及实验研究，优化飞行控制算法参数。
最后，设计实时性高的控制系统软件程序，进行相关实验调试工作，最终设计出能够实现一键飞行探测跟踪的四旋翼自主飞行器。
关键词：ATMEGA2560 瑞萨R5F523T5ADFM MPU6000陀螺仪超声传感器一、系统方案根据设计任务的要求，本系统包括飞行控制模块、驱动模块、飞行导航模块、测距模块等。
1、飞行控制模块的选择飞行控制模块是四旋翼自主飞行器的核心。
按照题目要求，飞行控制模块由ATMEGA2560处理器的开发板专门实现飞行控制算法。
为了实现自主飞行探测跟踪，必须要形成控制的闭环回路，必须要有检测和反馈系统状态的传感器，包括四旋翼的姿态、经纬度、航向、高度、空速、角速率等信号。
目前看来，国内外普遍应用MEMS器件来获取姿态、高度、空速、经纬度等信息。
此外这中间还需要有A/D采样电路、信号调理电路对采集的电信号进行必要的转换和简单的滤波。
针对四旋翼飞行器，控制方法有PID控制、反步法、滑模控制等飞行控制算法，我们采用经典的PID控制算法。
2、驱动模块的选择方案一：采用普通直流电机。
普通直流电机有价格低廉、使用简单等优点，但其扭矩较小，可控性差，此系统要求控制精度高、速度快、且质量要小，所以直流电机一般不能满足要求。
方案二：采用无刷直流电机，其具有响应速度快、较大的启动转矩，从零转速至额定转速具备可提供定转矩的性能。
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可编辑修改精选全文完整版四旋翼飞行器〔A 题〕参赛队号：20140057号四旋翼飞行器设计摘要：四旋翼作为一种具有构造特殊的旋转翼无人飞行器，与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活的在各个方向进展机动，构造简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。
因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察、灾害现场监视与救援等。
多旋翼无人机飞行原理上比拟简单，但涉及的科技领域比拟广，从机体的优化设计、传感器算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。
四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。
它使用直接力矩，实现六自由度〔位置与姿态〕控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。
此外，由于飞行过程中，微型飞行器同时受到多种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，模型准确性和传感器精度也将对控制器性能产生影响，这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。
因此，研究既能准确控制飞行姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。
一、引言：1.1 题目理解：四旋翼飞行器，顾名思义，其四只旋转的翅膀为飞行的动力来源。
四只旋转翼是无刷电机，因此对于无刷电机的控制调速系统对飞行器的方案一：选择Coldfire系列芯片作为系统控制的主控板，因为在以往队员们做过飞思卡尔智能车竞赛，对此系列的芯片做的比拟熟悉，芯片功能强大，但以往做的核心板较大，所需的电路较多，考虑到四轴飞行器的轻便，故而不太是一个很理想的选择。
方案二：主控板使用STM32。
STM32板子的I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。
Stm32迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高。
综上所述，我们一致决定使用STM32 MMC10作为此次大学生电子竞赛的主控板。
2.2 飞行姿态的方案论证：方案一：十字飞行方式。
四旋翼MATLAB报告
课题：四旋翼跟拍无人机一、需求分析1.背景介绍无人飞行机器人，是无人驾驶且具有一定智能的空中飞行器。
这是一种融合了计算机技术、人工智能技术、传感器技术、自动控制技术、新型材料技术、导航技术、通信技术、空气动力学与新能源技术等的综合机器人系统。
无人飞行机器人在专业术语上可咀被称作无人空中载具(Unmanned Aerial Vehicle，UA V)，广义上也可以被简称为无人机，区别于普通的无人飞机，无人飞行机器人技术目前向着高度集成化，高度自主智能化的方向发展。
无人飞行器的主要优点包括：系统制造成本低，在执行任务时人员伤害小，具有优良的操控性和灵活性等。
而旋翼式飞行器与固定翼飞行器相比，其优势还包括：飞行器起飞和降落所需空间少，在障碍物密集环境下的可控性强，以及飞行器姿态保持能力高。
近年来，一种具有四个旋Figure 1四旋翼翼的无人飞行机器人得到了极大的关注。
四旋翼飞行机器人是一种特殊的旋翼型飞行器，其四个旋翼和电机以十字形分布于机体的四个方向。
其中的微小型四旋翼无人飞行机器人更是热点中的热点，成为目前四旋翼飞行机器人研究的主要方面。
微小型四旋翼无人飞行器可以广泛应用于航空拍摄、特殊环境下的巡视侦察灾害搜救、游戏娱乐等方方面面。
将小型四旋翼应用于航拍领域正变得越来越引人关注。
在民用领域，无人机航拍正在形成一股风潮。
利用小型四旋翼搭载摄像头，对在移动（行走或骑行）中的目标人员进行自动跟拍，捕获目标人员的表情的无人机跟拍方案无疑有很大的市场。
2.需求分析为达到跟拍目的，无人机需要能够有良好的飞行能力，能够稳定的控制自身的姿态。
同时，无人机需要能够在此过程中自动的躲避一些如树枝、电线杆等障碍物。
也就是说，无人机要能够控制自己实现前后、左右、上下以及俯仰、滚转、偏航共6个基本运动。
同时在此基础上实现悬停、避障等功能。
二、系统原理1.技术方案四旋翼的结构简图如图2所示。
四个旋翼分布在十字形支架的四个顶点，依次编号为1、2、3、4。
四旋翼设计报告综述
四旋翼自主飞行器(A题)摘要四旋翼飞行器是无人飞行器中一个热门的研究分支，随着惯性导航技术的发展与惯导传感器精度的提高，四旋翼飞行器在近些年得到了快速的发展。
为了满足四旋翼飞行的设计要求，系统以STM32F103VET6作为四旋翼自主飞行器控制的核心，处理器内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高72MHz工作频率，工作电压3.3V-5.5V。
该四旋翼由电源模块、电机电调调速控制模块、传感器检测模块、飞行器控制模块等构成。
飞行姿态检测模块是通过采用MPU-6050模块，整合3轴陀螺仪、3轴加速度计，检测飞行器实时飞行姿态，实现飞行器运动速度和转向的精准控制。
传感器检测模块包括红外障碍传感器、超声波测距模块，在动力学模型的基础上，将四旋翼飞行器实时控制算法分为两个PID 控制回路，即位置控制回路和姿态控制回路。
测试结果表明系统可通过各个模块的配合实现对电机的精确控制，具有平均速度快、定位误差小、运行较为稳定等特点。
关键词：四旋翼飞行器；STM32；飞行姿态控制；串口PID目录1 系统方案论证与控制方案的选择...................................................................-2 - 1.1 地面黑线检测传感器...................................................................................- 2 - 1.2 电机的选择与论证.......................................................................................- 2 -1.3 电机驱动方案的选择与论证.......................................................................- 2 -2 四旋翼自主飞行器控制算法设计...................................................................-3 - 2.1 四旋翼飞行器动力学模型...........................................................................- 3 -2.2 PID 控制算法结构分析...............................................................................- 3 -3 硬件电路设计与实现.....................................................................................-4 -3.1 飞行控制电路设计................................. .....................................................- 5-3.2 电源模块........................................................................................ ..............- 5 -3.3 电机驱动模块...............................................................................................- 5-3.4 传感器检测模块...........................................................................................- 5-4 系统的程序设计...............................................................................................-5 -5 测试与结果分析...............................................................................................-6 -5.1 测试设计.......................................................................................................- 6 -5.2 测试结果.......................................................................................................- 6 -6 总结 (6)1 系统方案论证与控制方案的选择根据题目要求，对该系统的特点及其控制特性进行了分析，进行了几种不同设计方案的比较。
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四旋翼飞行器（A 题）参赛队号：20140057号四旋翼飞行器设计摘要：四旋翼作为一种具有结构特殊的旋转翼无人飞行器，与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活的在各个方向进行机动，结构简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。
因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察、灾害现场监视与救援等。
多旋翼无人机飞行原理上比较简单，但涉及的科技领域比较广，从机体的优化设计、传感器算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。
四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。
它使用直接力矩，实现六自由度（位置与姿态）控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。
此外，由于飞行过程中，微型飞行器同时受到多种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，模型准确性和传感器精度也将对控制器性能产生影响，这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。
因此，研究既能精确控制飞行姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。
2.1.1 方案一：选择Coldfire系列芯片作为系统控制的主控板，因为在以往队员们做过飞思卡尔智能车竞赛，对此系列的芯片做的比较熟悉，芯片功能强大，但以往做的核心板较大，所需的电路较多，考虑到四轴飞行器的轻便，故而不太是一个很理想的选择。
2.1.2 方案二：主控板使用STM32。
STM32板子的I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。
Stm32迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高。
综上所述，我们一致决定使用STM32 MMC10作为此次大学生电子竞赛的主控板。
2.2 飞行姿态的方案论证：2.2.1 方案一：十字飞行方式。
四轴的四个电机以十字的方式排列，x轴和y轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整，角度融合简单，适合初学者，能明确头尾，飞行时机体动作精准，飞控起来也容易。
2.2.2 方案二：X行飞行方式。
四轴的四个电机以X字的方式排列，灵活性和可调性较高，调整的时候应该相邻两个融合调节，融合复杂。
X型飞行方式非常自由灵活，旋转方式多样，可以花样飞行，也可以做出很多高难度动作，但是控制上相对比较困难。
综合以上两种方案鉴于我们是初次尝试，所以选择了方案一。
2.3 角度测量模块方案论证2.3.1 方案一：光纤陀螺仪。
光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。
光传播路径的变化，决定了敏感元件的角位移。
光纤陀螺仪寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻，但是成本较高，鉴于我们这是初次尝试，需要多次实验，破坏较大。
2.3.2 方案二：MPU6050三轴陀螺仪。
MPU6050三轴陀螺仪就是可以在同一时间内测量三个不同方向的加速度、角速度、角度。
单轴的话，就只可以测定一个方向的量，那么一个三轴陀螺就可以代替三个单轴陀螺。
它现在已经成为激光陀螺的发展趋向，具有可靠性很好、结构简单不复杂、重量很轻和体积很小等等特点，但是其输出数据需要大量的浮点预算才能保证较高的精度，这样会影响主控板对最终的姿态控制的响应速率。
综合以上两种方案，我们选择了方案二2.4 飞行器距地距离显示的方案论证：2.4.1 方案一：选用LCD液晶显示：LCD液晶显示在显示效果上较丰富，可以显示字母，数字等等需求，但在我们实际编写的时候发现驱动代码稍显复杂，显示效果在实际光线较亮的时候外界不容易清晰的看到LCD显示的内容，尤其是当四轴飞行器在实际飞行的过程中，显示效果并不理想。
2.4.2 方案二：选用LED数码管显示：实际的观察中，发现数码管的显示比较单一，但显示内容清晰可辨认，实际使用中对系统的占用资源也比较少。
考虑比赛要求只要求看到实际的显示效果，因而我们决定使用数码管来显示四轴飞行器距离地面的距离。
2.5 确定方案之后，针对题目要求，最终编写出合适算法，进行控制。
程序流程图如下（图2.1）：图2.12.6 程序部分核心代码见附录二三、设计实现：3.1 超声波测距模块:由于竞赛要求需要四轴飞行器悬停在一个距离，因而在我们做的过程中，选用超声波传感器用于测量四轴飞行器距离地面的距离，测量误差实际保证在1cm一下，基本做到精确测量，在写超声波模块的驱动时，开始我们只想通过在程序中写一个无限循环的延时程序来测量超声波往返的时间，这种方法在开始单步调试测距的时候表现正常，可以读到正确数据，但在单片机中加入中断优先级的程序时这种方法就不能胜任了。
最后经我们小组讨论决定利用单片机的pit中断实现超声波模块的测量往返时延，测量精确。
实验效果较好。
3.2 显示报告飞行高度:在我们的方案设计中小队决定使用数码管来显示四轴飞行器距离地面的高度，在我们做的过程中首先要解决的问题就是选用静态显示还是动态显示的问题，开始因为想的比较简单就想单纯的用I/O口置高与置低电平来控制LED数码管的亮暗，发现如果4位数码管显示的话所用到的I/O口就需要4*8=32个IO口，这对单片机有限的引脚来说是一个巨大的负担，在查找资料与请教老师后我们找到一种动态显示数码管的方法很好的解决了这个问题，所需引脚仅仅用11个，实际测试中，显示效果很好。
四、测试：4.1 硬件测试：将四旋翼模型拆解，然后用物理法测量中心，使其重心维持在四轴飞行器的中心。
然后按顺序将电池，主控板，陀螺仪等机械硬件使其牢固的装在模型飞机上。
硬件测试使用了万能角度尺、示波器、万用表、压线钳、电量测量仪等。
4.2 软件测试：为了保证PWM波输出的正确性，每次改动程序初始化之后用示波器测试波形的输出，保证其占空比和周期的正确性。
在正式算法程序之前，又用串口显示每个电机PWM输入，观察电机在各个PWM占空比的电机转速。
确保软件反应硬件是规律一致的。
软件测试最关键的是PID的参数调试，其中，p参数是调整整个四旋翼飞行器的反应速度和力度的，调节p参数以当整个模块反应迅速并且四旋翼振动频率四边偏差不大的时候即可完成，d参数在这之中的目的是一个抑制作用，当振荡幅度过大的时候能从任意角度一次直接返回平衡位置。
I参数是一个积分项，当哪一边反应过小时可以加一个i参数，这样就成了一个完整的PID参数调试了。
4.3 硬件软件联合测试：此步主要通过在STM32平台下进行编程，进行一系列的算法设计与调校，确认四旋翼飞行器是否能够飞行，通过大量的测试与实践，找出能刚刚使飞行器的电机占空比（PWM）值，当然，这一步可以通过联合超声波距离传感器设计一个动态PID调节，具体的调节方法依据能反应姿态的传感器联合作用。
五、完成情况：在本小组所有队员这几天的努力调试下，本次完成情况如下，飞行器能够垂直起飞，起飞后能在50cm出悬停5s以上，然后飞行器可以继续垂直上升至100cm 出，能悬停5s以上，在平稳回到原地的过程中，因为没有其他的传感器给飞行器提供路径的识别，所以回到原地的过程中，一切只能依靠软件与经验来模拟，故实际使用中发现做到这一步误差存在，在飞行器起飞至50~100cm的高度上，悬停5s以后，然后水平飞行200cm，这一步也是由于没有具体的识别方法，依靠软件实际测试得出的规律来确定200cm的大致飞行时间与速度，因而依然存在误差。
由于我们把数码管和超声波做好，因而显示飞行器距地距离很顺利。
总体比赛内容大致完成。
六、总结：本次参加电子设计大赛，我们将以往的一些经验杂糅成新，深刻认识到软硬件结合的重要性。
四旋翼的完成，硬件是基础，只有在能灵活熟练地使用硬件，才能更加方便的编写质量好的软件。
另外一个不可忽视的问题便是方案的选取。
一个项目的完成可能会有很多种方案，而且不同方案在实现之前不可预知其好坏以及是否适合本项目的完成，这就衍生出更多的实践测试，项目的完成不可一蹴而就，认真对待，在摸爬滚打中可积累更多的经验。
另外，基于软硬件的项目，其机械性能也会有不可小觑的影响。
起初我队在搭建机械的时候忽视了四旋翼的重心，认为机械重心的便宜可通过算法的自我调控来调节，事实证明，这种想法是错误的，好的机械性能更有利于算法的实现，机械搭建的好，便更容易调试软件。
在完成的过程中，我队深刻意识到在嵌入式的开发过程中，对软件质量的要求很高，所以在实际的编写过程中，优异的代码与思想或许尤为重要，而我们在这方面还多有不足，在此过程中，我们因为传感器的不足，有些想法不能做，但也正是缺少直接的东西，让我们可以很好的发现其他的解决方法，以后还需努力。
附录一：附录二：（部分核心代码）/******************超声波模块**************************************/ int csb(void){int d=0;PTT_PTT5 = 1;delayus(10);PTT_PTT5 = 0;while(PTIT_PTIT3!=1);count=0;while(PTIT_PTIT3==1);d=count*17/10;return d;}/******************数码管显示模块**************************************/void show123(x){if(x==0){PORTA_PA1 = up;PORTA_PA2 = up;PORTA_PA3 = up;PORTA_PA4 = up;PORTA_PA5 = up;PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = down; }else if(x==1){PORTA_PA1 = down; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = down; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = down; PORTA_PA7 = down; }else if(x==2){PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = down; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = up; PORTA_PA6 = down; PORTA_PA7 = up; }else if(x==3){PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = down; PORTA_PA7 = up; }else if(x==4){PORTA_PA1 = down; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = down; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = up; }else if(x==5){PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = down; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up;PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = up; }else if(x==6){PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = down; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = up; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = up; }else if(x==7){PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = down; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = down; PORTA_PA7 = down; }else if(x==8){PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = up; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = up; }else if(x==9){PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = up; } else if(x==10){ PORTA_PA1 = down; PORTA_PA2 = down; PORTA_PA3 = down;PORTA_PA4 = down;PORTA_PA5 = down;PORTA_PA6 = down;PORTA_PA7 = down;} else{PORTA_PA1 = down;PORTA_PA2 = up;PORTA_PA3 = up;PORTA_PA4 = up;PORTA_PA5 = up;PORTA_PA6 = up;PORTA_PA7 = down;}}/******************起飞模块**************************************/ void startfly(void){PWMDTY2=25;show_xt=10;show_a=show_b=10;show_c=0;delayms(2000);PWMDTY0=1185>>8;PWMDTY1=1185;PWMDTY3=19;PWMDTY2=19;}void main(void){int i=0;int P=12,I=0,D=150;PLL_Init();PWM_Init();DDRT_DDRT3 = 0;DDRT_DDRT5 = 1;DDRA=0xFF;DDRT_DDRT2 = 1;DDRT_DDRT4 = 1;DDRT_DDRT6 = 1;PIT_Init();EnableInterrupts;delayms(4000);startfly();delayms(2000);/* GetDIPSwitch();if(DIPSwitch_DIPS8==0){bmkg =100;} */while(s<=14){if(s>=11)want=350;if(s>=12)want=350;if(s>=14)want=150;delayms(40);test=csb();now_high=want-test;PI+=I*now_high;PWM3_ls=P*now_high+PI+D*(now_high-last_high); PWM3=1160+PWM3_ls/100;llst_high=last_high;last_high=now_high;if(PWM3>1230)PWM3=1230;else if(PWM3<1100)PWM3=1100;PWMDTY4=PWM3>>8;PWMDTY5=PWM3;test=test/10;if(csb_count>3000) {csb_count=0;if(test<10){show_a=10;show_b=10;show_c=test;}else if(test<100){show_a=10;show_b=test/10;show_c=test%10;} else{show_a=test/100;show_b=test/10%10;show_c=test%10;}}}PWMDTY4=800>>8;PWMDTY5=800;for(;;){_FEED_COP();}}/******************中断服务函数**************************************/#pragma CODE_SEG __NEAR_SEG NON_BANKEDvoid interrupt 66 PIT0_ISR(void){PITTF_PTF0=1;//清中断标志位if(count<10000)count++;us++;csb_count++;if(us>100) {us=0;ms++;if(ms>1000) {ms=0;s++;show_xt=s%10;}}if(s>15){PWMDTY4=800>>8;PWMDTY5=800;}if(us==0){if(xsq_count==1) {PORTA_PA0 = 0;show123(show_xt);PTT_PTT2 = 1;}else if(xsq_count==2){ PTT_PTT2 = 0;show123(show_a);PTT_PTT6 = 1;} else if(xsq_count==3){ PTT_PTT6 = 0;show123(show_b);PTT_PTT4 = 1;}else if(xsq_count==4){ PTT_PTT4 = 0;show123(show_c);PORTA_PA0 = 1;xsq_count=0;}xsq_count++;}}。