四旋翼无人机毕业设计.doc

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1、四旋翼无人机毕业设计目录摘要IAbstractII1绪论11.1研究背景及意义11.2国内外四旋翼飞行器的研究现状11.2.1国外四旋翼飞行器的研究现状11.2.2国内四旋翼飞行器的研究现状31.3本文研究内容和方法42四旋翼飞行器工作原理52.1四旋翼飞行器的飞行原理52.2四旋翼飞行器系统结构53四旋翼飞行器硬件系统设计73.1微惯性组合系统传感器组成73.1.1MEMS陀螺仪传感器73.1.2MEMS加速度计传感器73.1.3三轴数字罗盘传感器83.2姿态测量系统传感器选型83.3电源系统设计103.4其它硬件模块103.4.1无线通信模块103.4.2电

2、机和电机驱动模块113.4.3机架和螺旋桨的选型123.4.4遥控控制模块134四旋翼飞行器姿态参考系统设计144.1姿态参考系统原理144.2传感器信号处理154.2.1加速度传感器信号处理154.2.2陀螺仪信号处理154.2.3电子罗盘信号处理164.3坐标系164.4姿态角定义174.5四元数姿态解算算法184.6校准载体航向角265四旋翼飞行器系统软件设计285.1系统程序设计285.1.1姿态参考系统软件设计285.1.2PID控制算法设计29结论31参考文献32-I-四旋翼无人机设计与制作1绪论1.1研究背景及意义随着MEMS传感器、无刷电机、单片

3、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。与固定翼飞行器相比之下四旋翼飞行器具有结构简单，控制起来非常方便，能够垂直起降，成本非常的低、稳定性也高，机动性非常强等特点。在民用可以代替有人机完成一些任务，在军事上有很强的战场生存能力。因此在这些领域应用广泛，如军事侦查、农林业调查、灾害检测、输电线巡查、玩具航模、航拍、气象探测等。四旋翼飞行器的飞行原理虽然简单，但是涉及到的知识面非常的广[[]杜浩.基于GPS/INS的多旋翼MAVS自主飞行系统研制[D].南京信息工程大学,2012]，从机体结构的设计、传感器滤波算法、控制系统的设计和软件的

4、设计都需要理论的支持。本次设计针对四旋翼飞行器姿态控制系统进行更深入的研究，它的研究将推动中国四旋翼飞行器的研究发展，为四旋翼飞行器在环境保护、气象、火灾、侦查追踪等民用和军用领域实现产业化作出突出贡献。廉价并且高性能的飞行器的研究将会拥有巨大的经济效益，能够对我国的科研事业起到巨大的推动作用。1.2国内外四旋翼飞行器的研究现状1.2.1国外四旋翼飞行器的研究现状目前国外四旋翼飞行器的研究也是主要集中在飞行器姿态控制系统的新的理论的研究,比如：神经元网络控制算法、模糊自适应控制算法等。国外还在四旋翼飞行器的自主飞行以及多机协同运作等方面有很多研究。下面对一些四旋

5、翼飞行器进行简单的介绍：首先非常具有代表性的是美国Draganflyer公司研发出来的Draganflyer系列四旋翼飞行器[[]郎哲彦.基于模态切换的无人直升机双回路鲁棒控制器的研究[D].天津大学,2012]，如图1.1所示。这种四旋翼飞行器主要使用碳纤材料制作，因其载重能力强能携带高清摄像机，因此主要用途为航拍。另外还有Parrot公司研发的AR.Drone飞行器也是非常具有代表性，如图1.2所示。AR.Drone可以用手机远程控制，使用MEMS高精度姿态传感器，并且配备多种传感器和摄像头，使AR.Drone可以非常轻松地进行飞行任务[[]马远超.四旋翼飞

6、行器导航及控制技术研究[D].哈尔滨工程大学,2013]。德国在四旋翼飞行器研究方面也具有较高的水平，德国的MicroDrones公司推出的一款四旋翼飞行器MD4-200[[]姜洋.四旋翼垂直起降机的鲁棒控制问题研究[D].哈尔滨工业大学,2009]，如图1.3所示。该型号飞行器采用全碳纤工艺制作，负载能力强，而且非常省电。该型号飞行器配备有GPS–34–四旋翼无人机设计与制作卫星导航系统和摄像设备，能够很轻松的在室内和室外执行航拍任务。图1.1DraganflyerX4四旋翼飞行器图1.2AR.Drone飞行器现在许多科研院所已开始开展四旋翼飞行器相关科研项目

7、，主要是针对四旋翼飞行器系统建模的研究和四旋翼飞行器飞行功能的实现。美国宾夕法尼亚大学GRASP实验室设计出了一种能够编队飞行的四旋翼无人机飞行器，在这些飞行器上都安装有光源，通过安装在室内墙壁上的摄像头设备进行拍摄，从而确定飞行器的空间位置并且对其进行编队飞行控制操作，如图1.4所示。麻省理工学院设计的一款可以在室内进行地图测绘，定位和壁障的四旋翼无人飞行器系统，该系统通过激光雷达对周围环境进行测量，而且能够自动生成三维地图数据，并且根据周围的环境进行自主壁障和飞行路径规划，可以用于为危险环境的探测和搜救，如图1.5所示。图1.3德国MD4-200四旋翼飞行器

8、图1.4宾夕法尼亚大学四