四旋翼设计报告

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。

1.1 地面黑线检测传感器

测地面黑线的基本原理是：光线照射到路面并反射，由于黑线和白色地面对光的反射系数不同，所以可以根据接收到的反射光强弱来判断黑线。可实现的方案有：方案一：采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案。该方案在实际使用时，容易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到。主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。虽然可采取超高高度发光二极管降低一定的干扰，但这又增加额外的功率损耗。

方案二：红外避障传感器E18-D80NK。这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出，有效的避免了可见光的干扰。透镜的使用，也使得这款传感器最远可以检测80 厘米距离。检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。并且具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点。

比较以上二种方案，方案二占有很大优势，不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性，因此选择方案二。

1.2 电机的选择与论证

四旋翼无人飞行器是通过控制四个不同无刷直流电机的转速，达到控制四旋翼无人飞行器的飞行姿态和位置，与传统直升机通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，达到控制直升机的目的不同。在电机的选型上，主要有直流有刷电机和直流无刷电机两种。

方案一：直流有刷电机是当前普遍使用的一种直流电机，它的驱动电路简单、控制方法成熟，但是直流有刷电机使用电刷进行换向，换向时电刷与线圈触电存在机械接触，电机长时间高速转动使极易因磨损导致电气接触不良等问题，而且有刷电机效率低、力矩小、重量大，不适合对功率重量比敏感的电动小型飞行器。

方案二：直流无刷电机能量密度高、力矩大、重量轻，采用非接触式的电子换向方法，消除了电刷磨损，较好地解决了直流有刷电机的缺点，适用于对功率重量比敏感的用途，同时增强了电机的可靠性。所以选择直流无刷电机作为动力源。

1.3 电机驱动方案的选择与论证

方案一:采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。