四旋翼无人机无刷直流电机调速系统设计

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二 〇 一 年 六 月

本科毕业设计说明书 题 目：四旋翼飞行器无刷直流调速系统设计 学生姓名： 学 院：机械学院 系 别： 专 业： 班 级： 指导教师： 讲师

摘要

最近这些年来，四轴飞行机在国家建设中发挥了越来越重要的作用。所以对于四轴飞行机的学习与设计有着至关重要的作用。

四轴飞行机它的硬件这部分选取了STC15W4K48S4型号的单片机作为其控制的芯片，它的保密性能很强，而且具有很强的抵抗干扰的能力，并且其能耗较低，下载程序是经由串行口下载，方便快捷，其本身内部的储存器更方便程序的暂存。采用MPU6050做陀螺仪加速度计，MPU6050陀螺仪测量范围宽，测量精度高，做四轴飞行机的陀螺仪是再好不过的选择。采用NRF24L01蓝牙2.4GHZ 直插模块，本次选取的蓝牙模块功耗低，通信能力强。

在研究四旋翼无人飞行器的结构与原理的设计中，我们通过牛顿力学还有刚体力学的结论这两个理论才建立了四旋翼无人飞行器它的数学模型，这样得设计就能够很有效的提升系统的性能。

在通过四旋翼无人机的姿态的解算中，通过PID算法，解算欧拉角与四元素的数据，从而使飞行器飞行更加平稳，也可对其轨道进行规划，这样便可以实现自主飞行，而PID算法的可靠性与稳定性强。

本次设计我们通过编写代码设计PID算法来实现对四旋翼无人飞行器软件的控制，从而可以实现各模块间的相互分工与合作。

关键字：四旋翼无人飞行器；硬件设计；PID；欧拉角；飞行姿态

Abstract

The four rotor unmanned aerial vehicle (UA Vs) has been playing an increasingly important role in national construction in recent years. The design and research of the four rotor unmanned aerial vehicle (UA V) is of great significance.

The four rotor UA V hardware using STC15W4K48S4 microcontroller as the control chip, the strong confidentiality, and strong anti-interference ability, low power consumption, through the serial port to download the program, convenient storage, its internal procedures more convenient storage. Using MPU6050 as gyro accelerometer, MPU6050 gyroscope wide measurement range, high measurement accuracy, as the four rotor aircraft gyroscope is no better choice. Using NRF24L01 Bluetooth 2.4GHZ inline module, the selected Bluetooth module has low power consumption and strong communication ability.

In the study of the structure and principle of the four rotor unmanned aerial vehicle (UA V), the mathematical model of the four rotor unmanned aerial vehicle (UA V) is established by using Newton mechanics and rigid body mechanics theory, so as to improve the reliability and stability of the system.

In the four rotor UA V attitude algorithm, using PID algorithm, so as to make the aircraft more smoothly, but also the planning of its orbit, so that we can achieve autonomous flight, and the reliability and stability of the PID algorithm is strong.

The design of the four rotor UA V software control, through the preparation of C language code to control each module, to achieve cooperation between the modules.

Key words:four rotor unmanned aerial vehicle; hardware design; PID; Euler angle; flight attitude

目录

绪论 (1)

1 课题背景 (1)

2 国内外研究现状 (1)

第一章飞行器原理控制 (3)

1.1飞行器原理介绍 (3)

1.2 3相6臂电路 (3)

1.3反电势过零检测 (4)

1.4遗传优化算法控制 (5)

1.5灰色控制 (6)

第二章四轴无人飞行机硬件 (7)

2.1 STC15W4K48S4单片机 (7)

2.2 陀螺仪MPU6050 (9)

2.3 蓝牙模块 (10)

第三章四轴飞行机运动原理数学建模 (11)

3.1 坐标系定义与姿态转换 (11)

3.1.1 导航坐标系 (11)

3.1.2 机体坐标系 (11)

3.1.3 欧拉角 (11)

3.1.4 四元数 (13)

3.2 四旋翼运动学模型 (15)

3.3 四旋翼动力学模型 (16)

第四章姿态控制 (17)

4.1 四元数控制 (17)

4.2 欧拉角控制 (17)

第五章软件控制 (18)

5.1 PID算法变量 (18)

5.2 姿态处理和PID (18)

5.3 PID 手动微调参数值 (18)

5.4 四元数解算 (19)

IMUupdate(Angle_gx*0.0174533,Angle_gy*0.0174533,Angle_gz*0.01745