2015年全国大学生电子设计大赛四旋翼飞行器论文
四旋翼无人机设计与制作毕业论文
四旋翼无人机设计与制作毕业论文目录摘要 ................................................................................................ 错误!未定义书签。
Abstract ................................................................................................... 错误!未定义书签。
1绪论 .. (2)1.1研究背景及意义 (2)1.2 国内外四旋翼飞行器的研究现状 (2)1.2.1国外四旋翼飞行器的研究现状 (2)1.2.2国内四旋翼飞行器的研究现状 (4)1.3 本文研究内容和方法 (5)2 四旋翼飞行器工作原理 (7)2.1 四旋翼飞行器的飞行原理 (7)2.2 四旋翼飞行器系统结构 (7)3 四旋翼飞行器硬件系统设计 (9)3.1 微惯性组合系统传感器组成 (9)3.1.1 MEMS陀螺仪传感器 (9)3.1.2 MEMS加速度计传感器 (9)3.1.3 三轴数字罗盘传感器 (10)3.2 姿态测量系统传感器选型 (10)3.3 电源系统设计 (12)3.4 其它硬件模块 (12)3.4.1 无线通信模块 (12)3.4.2 电机和电机驱动模块 (13)3.4.3 机架和螺旋桨的选型 (14)3.4.4 遥控控制模块 (15)4 四旋翼飞行器姿态参考系统设计 (17)4.1 姿态参考系统原理 (17)4.2 传感器信号处理 (18)4.2.1 加速度传感器信号处理 (18)4.2.2 陀螺仪信号处理 (18)4.2.3 电子罗盘信号处理 (19)4.3 坐标系 (19)4.4 姿态角定义 (20)4.5 四元数姿态解算算法 (21)4.6 校准载体航向角 (29)5 四旋翼飞行器系统软件设计 (31)5.1 系统程序设计 (31)5.1.1 姿态参考系统软件设计 (31)5.1.2 PID控制算法设计 (32)结论 (34)参考文献 (35)绪论1.1研究背景及意义随着MEMS传感器、无刷电机、单片机以及锂电池技术的发展，四旋翼飞行器现在已经成为航模界的后起之秀。
2015年全国大学生电子设计竞赛
多旋翼自主飞行器（C 题）
2015 年 8 月 14 日
摘要
本系统采用四旋翼自主飞行器，以 stm32f407vgt6 作为飞行器控制的核心， R5F100LE 作为导航核心。本系统由电源模块、电机控制模块、传感器检测模块、 飞行循迹模块，超声波模块、报警模块、语音提示模块等构成。微控制器综合飞 行器模块和传感器检测模块的信息，通过控制 4 个直流无刷电机转速来实现飞行 器的欠驱动系统飞行。基于动力学模型，将四旋翼飞行器实时控制算法采用双 PID 控制回路，即角度控制回路和角速度控制回路。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、运行稳定 等特点。通过航拍模块、电磁铁模块后，可实现航拍功能以及金属重物的拾获、 投放功能，基本满足提出的指标。本系统特色实现了语音播报功能。 关键词：四旋翼自主飞行器 瑞萨 MCU stm32f407vgt6 PID 控制算法
2 系统理论分析与计算 ................................................2 2.1 飞行原理的分析.............................................................................................2 2.2 PID 控制算法的设计 ......................................................................................3 2.3 飞行循迹的分析..............................................................................................4
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。
四轴飞行器设计毕业设计论文
目录第一部分设计任务与调研 (1)1研究背景 (1)2毕业设计的主要任务 (1)第二部分设计说明 (2)1理论分析 (2)2设计方案 (6)2.1 微控制器的选择 (6)2.2 无线模块的选择 (7)2.3 其他模块图片 (9)第三部分设计成果 (10)第四部分结束语 (11)第五部分致谢 (12)第六部分参考文献 (13)第一部分设计任务与调研1研究背景四轴飞行器具备VTOL(Vertical Take-Off and Landing，垂直起降)飞行器的所有优点，又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点，具有广阔的应用前景。
可应用于军事上的地面战场侦察和监视，获取不易获取的情报。
能够执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。
在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。
工业上可以用在安全巡检，大型化工现场、高压输电线、水坝、大桥和地震后山区等人工不容易到达空间进行安全任务检查与搜救工作，能够对执行区域进行航拍和成图等。
因此，四轴飞行器的研究意义重大。
2毕业设计的主要任务本设计基于Arduino平台的四轴飞行器，包括Arduino最小系统、传感器模块、供电模块、电机驱动模块、蓝牙通讯模块等部分组成。
通过Arduino最小系统采集各传感器模块的数据并进行分析，将处理结果送入电机驱动模块进行姿态调整，实现四轴平稳飞行，系统框图如下：图1 系统框图第二部分设计说明1理论分析设计一个基于Arduino开源硬件平台的最小系统板，采集传感器的数据，传递给主芯片，芯片通过具体算法得出数据调整翼动部分实现水平。
下面将分析一种常见的四轴飞行器姿态解算方法，Mahony的互补滤波法。
此法简单有效，先定义Kp，Ki，以及halfT 。
Kp，Ki，控制加速度计修正陀螺仪积分姿态的速度halfT ，姿态解算时间的一半。
此处解算姿态速度为500HZ，因此halfT 为0.001#define Kp 2.0f#define Ki 0.002f#define halfT 0.001f初始化四元数float q0 = 1, q1 = 0, q2 = 0, q3 = 0;定义姿态解算误差的积分float exInt = 0, eyInt = 0, ezInt = 0;以下为姿态解算函数。
多旋翼自主飞行器报告..
2015年全国大学生电子设计竞赛多旋翼自主飞行器（C题）2015年8月15日摘要四旋翼飞行器是一种结构新颖、性能优越的垂直起降飞行器，具有操作灵活、带负载能力强等特点，具有重要的军事和民用价值，本系统以瑞萨R5F100LE作为四旋翼自主飞行器控制的核心。
由电源模块、电机调速控制模块、电机模块、MPU9150模块、飞行器控制模块等构成。
飞行控制模块包括角度传感器、陀螺仪，瑞萨MCU综合飞行器模块和传感器检测模块的信息，通过控制4个直流无刷电机转速来实现飞行器的欠驱动系统飞行。
在动力学模型的基础上，将小型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；MPU9150；瑞萨R5F100LE；PID目录一、系统方案 (4)1、系统方案论证与控制方案的选择 (4)1.1 飞行器控制系统模块 (4)1.2 电源模块的选择与论证 (4)1.3电机模块的选择与论证 (5)1.4电机调速控制模块 (5)二、系统理论分析与计算 (6)四旋翼飞行器动力学模型..................................................................... 错误！未定义书签。
2.2 PID控制算法结构分析 (7)三、电路与程序设计 (9)1、电路的设计 (9)（1）系统总体框图 (9)（2）飞行控制系统实物图与电路原理图 (9)（3）给R5F100LE单片机为核心提供的5V电源系统框图与电路原理图 (11)（4）总电源 (12)（5）MPU9150模块 (12)2、程序的设计 (13)四、测试方案与结果分析 (14)4.1 测试设备方案 (14)4.2 测试结果 (15)五、总结 (16)六、参考文献 (16)七、附录 (16)多旋翼自主飞行器（C题）【高职组】一、系统方案本系统主要由飞行器控制模块、电源模块、电机模块、电机调速控制模块、MPU9150模块等构成5大模块组织，下面分别论证这几个模块的选择。
全国大学生电子设计大赛作品报告
2015年全国大学生电子设计竞赛多旋翼自主飞行器（c题）2015 年8月15 日摘要旋多翼自主飞行器由RL78/G13MCU板（芯片型号R5F100 LEA）,STM32单片机模块(加SD卡)，CMOS摄像头，A2212/13T新西达电机。
STM32单片机输入信号到RL78/G13MCU板，启动飞行器和CMOS摄像模块，RL78/G13MCU飞控模块矫正飞行器在空中的姿态，实现悬停,前进,后退等功能，CMOS模块将拍摄的视频内容存储在STM32模块内置的SD卡里。
当飞行到目的地时各模块自动停止工作。
飞行器能一键式启动，并开始航拍，从A点起飞，飞向B区，在B区降落，但不是中心，当飞行结束后，拔掉SD卡，能顺利的通过P0机回放，在飞行过程中，始终在电子示高线H1和H2的区间内。
目录目录1. 方案论证与比较四旋翼算法方案方案一：采用欧拉角法欧拉角法静止状态，或者总加速度只是稍微大于g 时，由加计算出的值比较准确。
使用欧拉角表示姿态，令Φ,θ和Φ代表ZYX 欧拉角，分别称为偏航角、俯仰角和横滚角 。
载体坐标系下的 加 速 度(axB,ayB,azB)和参考坐标系下的加速度(axN, ayN, azN)之间的关系可表示为(1)。
其中 c 和 s 分别代表 cos 和 sin 。
axB,ayB,azB 就是mpu 读出来的三个值。
这个矩阵就是三个旋转矩阵相乘得到的，因为矩阵的乘法可以表示旋转。
axB c c c s s axN ayB c s s s c c c s s s s c ayN azB s s c s c s c c s s c c azN θψθψθφψφθψφψφθψφθφψφθψφψφθψφθ-⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=-++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+-+⎣⎦⎣⎦⎣⎦(1)飞行器处于静止状态，此时参考系下的加速度等于重力加速度，即00xN yN zN a a g a ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦ （2） 把（2）代入（1）可以解:arctg θ= （3）yB zB a arctg a φ⎛⎫=⎪⎝⎭ （4）即为初始俯仰角和横滚角，通过加速度计得到载体坐标系下的加速度即可将其解出，偏航角可以通过电子罗盘求出。
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。
电子设计大赛四旋翼设计报告
电子设计大赛四旋翼设计报告一、设计背景和目的四旋翼是一种无人机的形式，它由四个旋转桨叶提供升力和稳定性。
四旋翼的设计和制造对于提高飞行品质和有效性非常重要。
因此，我们参加了电子设计大赛，目的是设计一种高性能、高稳定性的四旋翼。
二、设计要求和功能1. 提高飞行品质：设计一个稳定的四旋翼，可以在各种气候和环境条件下飞行，并保持平稳。
2. 提高控制性：设计一个精确的控制系统，可以实现精确的飞行操作和操纵。
3. 增强可靠性：设计一个可靠的四旋翼，能够有效地预防故障并提供必要的安全性能。
4. 提高机动性：设计一个具有高机动性的四旋翼，能够实现各种飞行动作和任务，如起飞、降落、转弯等。
三、设计方案1. 结构设计：- 使用轻质材料制造机身和旋转桨叶，以减少整体重量并提高机动性。
- 采用可折叠设计，便于携带和储存。
2. 电力系统：- 配备高性能的电机和螺旋桨，以提供足够的升力和稳定性。
- 安装高容量的电池，以延长飞行时间。
3. 控制系统：- 使用高精度的陀螺仪和加速度计，以提供准确的飞行数据。
- 配备先进的飞行控制系统，实现精确的操纵和飞行操作。
4. 通信系统：- 配备可靠的遥控器，实现远程控制操作。
- 安装高清晰度的摄像头，传输实时视频和图像。
5. 安全系统：- 配备传感器和防撞装置，以避免与障碍物碰撞。
- 设置飞行限制区域和高度限制，确保飞行的安全性。
6. 程序设计：- 开发合适的飞行控制软件，实现四旋翼的智能化飞行和任务执行。
四、预期成果和可行性分析我们预期通过设计和制造一个高性能、高稳定性的四旋翼，能够在电子设计大赛中取得好成绩。
我们的设计方案经过多次验证和测试，证明具有良好的可行性和实用性。
在实际操作中，我们可以利用这个四旋翼进行各种任务和应用，如航拍、物流输送、环境监测等。
这个四旋翼除了参加电子设计大赛，还可以在其他领域得到广泛应用，具有很高的市场潜力。
我们相信我们的四旋翼设计能够达到预期的目标，并取得好成绩。
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。
电赛四轴论文
电赛四轴论文 SANY GROUP system office room 【SANYUA16H-2015年全国大学生电子设计竞赛多旋翼自主飞行器（C题）2015年8月15日摘要四旋翼飞行器结构较简单，且能够控制其稳定飞行。
通过对MPU6050陀螺仪姿态索取，并以R5F100LEA单片机作为主控芯片，利用其内部资源，进行运算完成四元数矩阵转换及姿态解算、融和、矫正。
针对四旋翼飞行器的动力来源为直流电机，通过采用PWM控制方式对电机进行调速，通过调节电机转速，实现升力变化，控制飞行器的姿态及位置变化。
采用ov7620摄像头循迹使飞行器从A区到B区。
通过对四旋翼工作模式与控制参数的研究，采用PID算法，编程实现，模拟相应的飞行姿态，使四旋翼飞行器能够实现自主飞行、自主悬停控制，并且能够完成题目要求内容。
关键词：四旋翼飞行器；PWM；PIDAbstractFourrotatingpropeller-drivenaircraftstructureisrelativelysimple.ThroughtotheMPU6050gyrosc opetoreadgestures.AndR5F100LEAsingle-chipmicrocomputerasmaincontrolchip,Operationswithitsinternalresou rces,completethequaternionmatrixtransformationandattitudealgorithm ,harmony,andcorrect.Inviewofthefourrotoraircraftpowersourcefordcmot or,throughtheadoptionofPWMcontrolmethodformotorspeedadjustment, foradjustingthemotorspeed,implementchangestolift,andcontrolaircraft attitudeandpositionchanges.Weuseov7620cameratrackingmakeaircraft fromareaAtoareaB.Throughthestudyoffourrotorworkingmodeandthecon trolparametersofthePIDalgorithm,andprogrammingimplementation,sim ulationofthecorrespondingflightattitude,makefourrotoraircraftcanrealizeautonomousflight,hoveringcontrolindependentlyandcompletethesubje ctrequirements.keywords：Fourrotatingpropeller-drivenaircraft;PWM;PID目录1.系统方案论证与选择 (1)1.1姿态检测模块 (1)1.2电源模块 (2)1.3光电传感器模块 (2)2．系统理论分析与计算 (3)2.1姿态控制方法 (3)2.2电机驱动模块 (5)3．系统硬件电路设计与分析 (5)3.1电机驱动 (6)3.2姿态检测模块 (6)3.3MCU主控电路 (6)4．系统软件设计 (7)4.1中值窗口滤波算法 (8)4.2PID算法 (8)5.仿真测试与实飞 (9)5.1仿真测试 (9)5.2作品实物图 (10)5.3实飞测试 (11)6．结论 (12)参考文献 (I)多旋翼自主飞行器（C题）1.系统方案论证与选择随着传感器技术和控制理论的不断发展,尤其是微电子和微机械技术的逐步成熟使四轴飞行器的自主飞行控制变得易实现并成为国际上的热点研究对象。
四旋翼飞行器毕业论文
四旋翼飞行器毕业论文随着科技的不断发展和人们生活水平的不断提高，现代航空技术取得了长足的发展，航空器种类日益丰富，其中四旋翼飞行器也越来越受到人们的关注和喜欢。
四旋翼飞行器是一种由四个电动机驱动旋转的旋翼，通过不同旋翼旋转速度的协调，控制飞行器的飞行姿态，实现飞行的目的。
它具有体积小、重量轻、机动性好、简单易操作等优势，同时可完成多种飞行任务，如航拍、搜救、越野竞速等。
本篇毕业论文将从四旋翼飞行器的发展历程、工作原理以及其在军事和民用领域上的应用等方面进行详细介绍。
一、四旋翼飞行器的发展历程早在20世纪60年代，美国国防部就开始研制一种可以远距离侦察和无人攻击的，能够垂直起降的飞行器，即直升机无人机。
后来随着电子技术的发展，直升机无人机逐渐淘汰，直到四旋翼飞行器出现。
1970年代，欧洲某个国家开始研制一种四旋翼飞行器，以执行监察、识别突发事件、洪灾救援等多种任务。
1990年代，美国开始研制四旋翼飞行器，主要用于情报收集和巡逻。
而到了21世纪，四旋翼飞行器开始进入了广泛应用的时期，被应用于工业、航拍、救援等不同领域。
二、四旋翼飞行器的工作原理四旋翼飞行器的工作原理就是通过控制各电机的旋转速度实现不同方向的推力，进而控制飞行姿态。
四旋翼飞行器包含四个电机，通过正反转和加减速控制旋翼的旋转速度，以实现飞行。
不同的旋翼间通过协调的控制实现整体运动，达到平稳飞行和各种飞行姿态的控制。
三、四旋翼飞行器的应用四旋翼飞行器在不同领域均有广泛应用，如：1、民用领域主要应用于航拍、农业、物流、救援等。
在航拍领域，四旋翼飞行器可以飞入空旷的天际，实现高清晰度的照片和视频拍摄。
而在农业方面，四旋翼飞行器可以对农作物进行施肥、喷洒农药等工作，提高农业效率。
此外，四旋翼飞行器还被应用于物流配送和救援等领域。
2、军事领域四旋翼飞行器在军事领域的作用主要是情报收集和实施巡逻。
四旋翼飞行器可以远程操控，对敌方情况进行监测和侦察，收集有用信息，并可以执行攻击任务。
四轴飞行器论文
2014-2015年大学生创业新基金项目结题论文作品名称：用于作物生长监测的飞行机器人学院：工学院指导老师：孙磊申报者姓名（团队名称）：李家强、梁闪闪、谈姚勇二〇一五年五月目录摘要 (3)关键词 (3)引言 (3)多旋翼农用无人机的发展简史 (4)作品设计方案1.1 飞行器的结构框架和工作原理 (5)1.2 硬件选择 (6)1.3硬件电路设计1.3.1：主控模块 (7)1.3.2：姿态传感器模块 (8)1.3.3：电源模块 (9)1.4 软件系统设计1.4.1：总体设计 (9)1.4.2：姿态解算实现 (10)参考文献 (11)附件1：作品实物图 (12)附件2：原件清单 (13)附件3 电路原理图 (14)附件4 部分程序（遥控器） (15)关于作物成产检测的飞行机器人的研究报告作者：李家强、梁闪闪、谈姚勇指导老师：孙磊（安徽农业大学工学院合肥市长江西路130号 230036）摘要:四旋翼飞行器通过排布在十字形支架四个顶端的旋翼，产生气动力，控制飞行器的升降、倾斜、旋转等。
本文主要讨论四旋翼飞行器所选用的单片机类型，以及选用此款单片机的原因。
通过PWM技术来调节飞行器的飞行状态，以MPU-6050为惯性测量器件。
所形成的飞行控制系统使得飞行器能达到较平稳的飞行姿态。
整体采用无线遥控控制，无线频波为2.51GHZ。
关键词：四旋翼飞行器、作物检测、飞行时间、飞行距离Abstract:through four rotor aircraft configuration at the top of the cross-shaped bracket four rotor, aerodynamic force, control aircraft movements, tilt, rotation, etc. This article focuses on four rotor aircraft chooses the types of single chip microcomputer and choose this single chip microcomputer. Through the PWM technology to adjust the aircraft's flight status, inertial measurement device for MPU - 6050. Formed by makes the aircraft flight control system can achieve a smooth flight. Overall the wireless remote control, wireless 2.51 GHZ frequency wave. Keywords: four rotor aircraft, crop detection, time of flight, flight distance引言：随着我国的经济迅速发展，农业种植的规模化、机械化、信息化。
四旋翼设计与实现.
四旋翼设计与实现毕业设计论文摘要四轴无人机是一种结构新颖的多旋翼飞行器，其通过调节四个电机的转速来实现飞行控制。
与常规旋翼式飞行器相比，对称分布的四个桨叶可使旋翼的反扭矩相互抵消，不需要额外的反扭矩尾桨。
在民用和工业应用领域，无人机因其因其独特的结构和优秀的性有着广泛的应用前景，如灾情救援、交通检测、货物运输等领域都有实际应用的意义。
本文根据无人机的特性，采用了基于ARM CortexM4 架构的STM32F3微处理器作为飞控平台。
利用板载的陀螺仪和加速度计MPU-6050内部的DMP功能进行姿态解算，通过PID姿态控制器来实现无人机准确的姿态控制。
同时，在无人机上加装了超声波传感器和GPS模块，可通过2.4G频段的遥控器进行无线控制，以定点定高的悬停功能来实现精准的货物投放。
四轴无人机上又可加装OSD等模块进行数据的实时传输和数据采集，以在实际中有更多应用。
关键词:四轴飞行器；STM32F3；MPU6050；PID控制；超声波传感器ABSTRACTFour-axis unmanned aerial vehicle is a novel multi-rotor aircraft, which adjusts the speed of four motors to achieve flight control. Compared with the conventional rotorcraft, the symmetrical distribution of the four blades of the rotor torque can cancel each other, without additional anti-torque tail rotor. In civil and industrial applications, unmanned aerial vehicles because of its unique structure and excellent sex has a wide range of applications, such as disaster relief, traffic detection, cargo transportation and other fields have practical significance. According to the characteristics of unmanned aerial vehicles, the STM32F3 microprocessor based on ARM CortexM4 is adopted as the flight control platform. The posture of the unmanned aerial vehicle (UA V) can be controlled by the PID attitude controller based on the onboard gyro and the DMP function of the accelerometer MPU-6050. At the same time, in the unmanned aerial vehicles to install the ultrasonic sensor and GPS module, through the 2.4G band remote control for wireless control to fixed-point high hover function to achieve accurate delivery of goods. 4-axis unmanned aerial vehicles can be installed on the OSD and other modules for real-time data transmission and data acquisition, in practice there are more applications.Key words: four-axis vehicle; STM32F3; MPU6050; PID control; ultrasonic sensor目录1 概论 (1)1.1 选题背景 (1)1.2 国内外现状研究 (1)1.2.1 四旋翼飞行器的国内发展现状 (1)1.2.2 四旋翼飞行器的国外发展现状 (1)2 四旋翼飞行模型结构与硬件电路设计 (3)2.1 四旋翼飞行器的结构与原理 (3)2.2飞行器控制硬件电路设计需求分析 (4)2.3元器件的选型 (5)2.3.1微控制器的选型 (5)2.3.2传感器的选型 (6)2.3.3电机、桨叶及机臂的选型 (8)2.4硬件电路的设计 (9)2.4.1电源部分 (9)2.4.2 MCU选型 (10)2.4.3 传感器部分 (12)2.4.4 动力部分 (12)3控制器软件设计 (13)3.1 控制算法选择 (13)3.2 基于MPU6050传感器的姿态角求解 (14)3.2.1 欧拉角与四元数 (14)3.2.3 获取四旋翼飞行器姿态 (18)3.3 飞行器控制算法设计 (19)4测试与分析 (21)4.1 姿态解析测试 (21)4.2 飞行控制测试 (21)5 总结与展望 (23)致谢 (25)附录 (27)1 概论1.1 选题背景四轴无人机是一种垂直起降的无人机，有着广阔的应用前景。
电子设计大赛四旋翼设计报告最终版精选全文
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。
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2015年全国大学生电子设计竞赛多旋翼自主飞行器（C题）2015年8月15日摘要本文对四旋翼碟形飞行器进行了初步的研究和设计。
首先，对飞行器各旋翼的电机选择做了论证，分析了实际升力效率与PWM的关系并选择了此样机的最优工作频率，并重点对飞行器进行了硬件和软件的设计。
本飞行器采用瑞萨R5F100LEA单片机为主控制器，通过四元数算法处理传感器MPU6000采集机身平衡信息并进行闭环的PID控制来保持机身的平衡。
整个控制系统包括电源模块、传感器检测模块、电机调速模块、飞行控制模块及微处理器模块等。
角度传感器和角速率传感模块为整个系统提供飞行器当前姿态和角速率信号，构成飞行器的增稳系统。
本系统经过飞行测试，可以达到设计要求。
关键字：R5F100LEA单片机、传感器、PWM、PID控制。
目录1系统方案 (1)1.1电机的论证与选择 (1)1.2红外对管检测传感器的论证与选择 (1)1.3电机驱动方案的论证与选择 (2)2系统控制理论分析 (2)2.1控制方式 (2)2.2 PID模糊控制算法 (2)3控制系统硬件与软件设计 (4)3.1系统硬件电路设计 (4)3.1.1系统总体框图 (4)3.1.2 飞行控制电路原理图 (4)3.1.3电机驱动模块子系统 (5)3.1.4电源 (5)3.1.5简易电子示高模块电路原理图 (6)3.2系统软件设计 (6)3.2.1程序功能描述与设计思路 (6)3.2.2程序流程图 (6)4测试条件与测试结果 (7)4.1 测试条件与仪器 (7)4.2 测试结果及分析 (7)4.2.1测试结果(数据) (7)4.2.2测试分析与结论 (8)附录1：电路图原理 (9)附录2：源程序 (10)1系统方案本系统主要由电源模块、电机调速控制模块、飞行控制模块、传感器模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1电机的论证与选择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。
综合以上两种方案，选择方案二。
1.2红外对管检测传感器的论证与选择探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。
综合以上两种方案，选择方案二。
1.3电机驱动方案的论证与选择方案一: 采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案二: 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。
方案三:采用全桥驱动PWM电路。
这种驱动的优点是使管子工作在占空比可调的开关状态，提高使用效率实现电机转速的微调。
并且保证了可以简单的方式实现方向控制。
基于上述三种方案，应选择方案三比较合适。
2系统控制理论分析2.1控制方式本次比赛的难点在于如何使飞行器在空中较好的实现平衡控制，然后使其进行巡线飞行和降落。
题中所研究的四旋翼结构属于X型分布，即螺旋桨M1和M4与M2和M3关于X轴对称，螺旋桨M1和M3与M2和M4关于Y轴对称如图1所示。
对于四旋翼的模型简单的数学物理建模。
通过陀螺仪返回的六个数据进行四元数拟合处理得到空间欧拉角。
然后返回给系统进行闭环PID控制。
图1 螺旋桨分布示意图2.2 PID模糊控制算法PID是工业控制上的一种控制算法，在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
PID控制算法原理如图2所示。
图2 PID计算方式经过测算和推导，我们得出了PID的计算公式为:进入PID调节子程序时，首先需要根据系统给定值和采样值计算偏差。
另外，在系统进入稳态后，偏差是很小的。
当控制过程进入这种状态后，就进入了系统设定的一个允许带里。
本设计中的算法设计与流程图如图3所示。
图3 PID调节子程序流程图3控制系统硬件与软件设计3.1系统硬件电路设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图4所示。
图4 系统总体框图3.1.2 飞行控制电路原理图飞行控制模块是控制系统的核心部分。
它在每个控制周期内实时处理传感器采集的数据和飞行器的姿态信息，完成PID控制的算法，得到四旋翼飞行器的姿态和位置信息，计算出控制量，转化为相应的控制信号经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四旋翼飞行器稳定飞行。
电路图如图5所示。
图5飞控系统电路3.1.3电机驱动模块子系统四电机驱动模块根据中心控制模块指令驱动各个电机到达指定转速，将电机的速度通过测速反馈装置反馈给飞行姿态控制模块，控制无刷直流电机闭环控制转速，从而控制飞行状态，达到预期位置和姿态。
通过电子调速器给电机提供电流，使之改变电机的转速快慢。
本系统中设计的电机驱动电路如图6所示。
图6电机驱动电路原理图3.1.4电源电源由一块11.1V 2200ma的锂电池（重量约为166克）供电，在由电调降压给系统中的各个模块供5v电压并给电机提供电流，这样可满足可满足各个小系统的电源要求。
3.1.5简易电子示高模块电路原理图简易电子示高装置是根据光敏二极管对激光束光强的持续接收，可以控制光敏二极管模块输出低电平，一旦激光束对光敏二极管照射的中断，即可使光敏二极管部分电路呈现高电平。
进而触发光电门，促使发光二极管和蜂鸣器工作，起到报警作用。
基本框图如图7所示。
图7 报警触发模块基本框图3.2系统软件设计3.2.1程序功能描述与设计思路根据题目要求软件部分主要实现传感检测和PWM输出的更改。
（1）传感检测功能：设置高度和角度的输出信号类型。
（2）PWM输出：根据检测的数据，通过PID算法更改PWM的输出。
3.2.2程序流程图本系统以瑞萨MCU为核心，采用C语言对单片机进行编程。
主程序主要起导向和决策的作用，系统的控制总流程图如图所示。
系统包括延时子程序，电机转速控制子程序，检测子程序，副翼子程序。
系统控制的总流程图如图8所示。
部分程序清单见附录2。
图8 主流程图4测试条件与测试结果4.1 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：高精度的数字毫伏表，数字示波器，数字万用表。
4.2 测试结果及分析4.2.1测试结果(数据)表2 测试功能、测试工具及实现的情况表经测试，系统可以满足基本要求和部分发挥部分，并具有稳定前行的特点。
4.2.2测试分析与结论根据上述测试数据，各个点的理论误差与实际误差比较，由此可以得出以下结论：1、实际与理论差距太大，高度受电压影响太大，通过运用红外对管调节四轴高度，2、通过微调PID参数使四轴起飞平衡，3、通过调节加速度计可使四轴按要求飞行，减小误差综上所述，基本可以达到预期目标，说明我们的硬件和软件的设计基本趋于合理，达到要求。
附录1：电路图原理附录2：源程序/************************************************************************************* *********************************** DISCLAIMER* This software is supplied by Renesas Electronics Corporation and is only* intended for use with Renesas products. No other uses are authorized. This* software is owned by Renesas Electronics Corporation and is protected under* all applicable laws, including copyright laws./************************************************************************************* **********************************Includes************************************************************************************** *********************************/#include "r_cg_macrodriver.h"#include "r_cg_cgc.h"#include "r_cg_port.h"#include "r_cg_timer.h"/* Start user code for include. 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Do not edit comment generated here */void R_MAIN_UserInit(void); //初始化函数/************************************************************************************* *********************************** Function Name: main* Description : This function implements main function.* Arguments : None* Return Value : None************************************************************************************** *********************************/void main(void){R_MAIN_UserInit();/* Start user code. Do not edit comment generated here */while(1){if (P5.2 == 1){Delay_1ms(20);if(P5.2 == 1)a = 1;}else if (P5.3 == 1){Delay_1ms(20);if(P5.3 == 1)a = 2;}else if(P5.4 == 1){Delay_1ms(20);if(P5.4 == 1)a = 3;}else if (P5.5 == 1){if(P5.5 == 1)a = 4;}else if (P1.3 == 1){Delay_1ms(20);if(P1.3 == 1)a = 5;}switch(a){case 1: modle1(); break;case 2: modle2(); break;case 3: modle3(); break;case 4: modle4(); break;case 5: modle5(); break;default: break;}a=0;}/* End user code. 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