四轴飞行器电机控制模块设计

四轴飞行器电机控制模块设计

密级：

NANCHANG UNIVERSITY

学士学位论文THESIS OF BACHELOR

（2011—2015年）

题目四轴飞行器电机控制模块设计

学院：信息工程学院系自动化系专业班级：测控技术与仪器111班学生姓名：吕晴学号：5801211011 指导教师：张宇职称：讲师起讫日期：2015-3-5 ~ 2015-6-2

南昌大学

学士学位论文原创性申明

本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密□，在年解密后适用本授权书。

本学位论文属于

不保密□。

（请在以上相应方框内打“√”）

作者签名：日期：

导师签名：日期：

摘要

四轴飞行器电机控制模块设计

专业: 测控技术与仪器学号: 58012110011 学生姓名：吕晴指导老师：张宇

摘要

本课题是针对四轴飞行器在已经获得传感器测得的精确数据的情况下，设计合理的电路和算法，实现四轴飞行器稳定飞行和各种姿态变换。本课题的主要内容是对四轴飞行器的电机控制模块进行软硬件设计。

四轴飞行器是智能机器人的一种，它是由四个旋翼旋转产生升力，通过协调各旋翼的转速来实现飞行器的姿态控制。与传统的无人机相比，四轴飞行器具有很强的机动灵活性和载荷能力，特别适合在理想稳态或者准稳态的飞行条件下进行全方位垂直起降，在军事和民用领域均拥有广阔的发展前景[2]。

本论文对四轴飞行器的电机控制模块进行了调研，并设计出了相关的硬件电路板以及软件控制算法。具体内容如下：

首先建立四轴飞行器的动力学模型，四轴飞行器的动力学建模分为力学建模和运动学建模两个部分，总体思想是将四轴飞行器看作一个刚体，选定当前的姿态角和目标姿态为输入量，在理想的条件下，推导出控制四轴飞行器所需的四个电机的控制量作为输出量的方程，即建立四轴飞行器受力与姿态之间的关系。

其次对四轴飞行器电机控制模块进行合理的硬件设计，硬件部分分为了电源模块、主控模块、电机驱动模块、检测模块、无线通讯模块五个模块。其中选择了STM32系列单片机作为主控模块的微处理器，选择了三相无刷直流电机作为动力源，无刷电调对其进行调速。

再次设计合理的控制算法，本课题采用了经典PID算法，临界比例度法对PID参数进行了初步整定，再在试验中对参数进行微调。

最后针对四轴飞行器电机控制模块设计了合理的软件流程。

关键词：四轴飞行器；动力学模型；电机；PID控制算法

Abstract

The design of motor control module for quad rotor

Abstract

This subject is in the condition of the quad rotor having got accurate date from sensors, to design rational circuit and arithmetic. To realize the quad rotor flying stabilize and changing all sort of attitude. The main content of this topic is hardware and software design for quad rotor control system.

Quad-rotor is one kind of micro air vehicle and a typical integration of machinery product. It produced lift by four rotor ,through coordinate the speed of each rotor to control the attitude of quad rotor. Compared with the tradition unmanned aerial vehicles, quad rotor has strong maneuverability and load capability. It suit for all-round vertical take-off and landing under the condition of quasi-steady state. It has widely development prospect in the file of military and civilian.

In this paper, the motor to the Quad-rotor control module was investigated. I manufactured the hardware circuit board and software control algorithm. The main work of this paper are as follows:

The first established dynamics model for quad rotor, it divided into two parts of mechanics modeling and kinematics modeling. The general idea is treat the Quad-rotor as a rigid body, select the current Euler angles and the target Euler angle as input, under ideal conditions, so as to get the equation to control Quad-rotor.

The second design rational hardware. Hardware system is including the part for power supply, main control module, motor driver module and wireless communication module. I choose STM32series single chip microcomputer as the main control module microprocessor, three-phase brushless dc motor as the power source and brushless electric adjust speed.

The third design ration control algorithm. The subject adopts the classical PID algorithm, using proportion degree method to rectify the PID.

The last design rational software process.

Keywords: Quad rotor；dynamics mode；electric motor；PID algorithm