旋翼空中机器人技术报告

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1、“飞鹰一号”四旋翼无人机系统设计刘文智、李海波、郭峰、朱磊、许长魁、冉晨阳、张成龙、张建国、陈云乔、吕超（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨150001）“Feiyingyihao”Four-rotorUAVSystemDesignLiuWen-zhiLiHai-boGuoFengZhuLeiXuChang-kuiRanChen-yangZhangCheng-longZhangJian-guoChenYun-qiao（CollegeofInformationandCommunicationEngineering,HarbinEng

2、ineeringUniversity,Harbin,Heilongjiang150001，China）摘要：四旋翼无人机系统由哈尔滨工程大学空中机器人队。该无人机的设计涉及机械、电子、计算机、自动化、空气动力学等多个学科。该无人机以Altera公司的FPGA为核心器件，定制了I2C、SPI、UART、PPM内核，完成了惯性测量组件(IMU)、GPS、磁传感器的数据采集，完成了遥控信号的处理，进行导航信息融合与控制算法解算，驱动无刷直流电机实现了四旋翼无人飞行器的起飞、悬停、降落、导航等功能。无人机搭载摄像头等设备，配备相应的地面站软件，便可以

3、完成摄像、侦察等功能。关键字：无人机；自动驾驶；地面站；通信系统Abstract:Thefour-rotorUAVisdesignedbyHrbeuaero-robotteam.Severalsubjectssuchasmechanics,electronics,computerscience,automatics,aerodynamicswereconcernedwhentheplanewasdesigned.Altera'sFPGAisthecoredeviceoftheUAV，I2C、SPI、UART、PPMkernelwascusto

4、mized.Thedataacquisitionofinertialmeasurementunit(IMU),GPS,magneticsensors,remotecontrolsignalprocessing,navigationinformationfusionandcontrolalgorithmssolveriscompleted.Takeoff,hover,landing,navigationandotherfunctionsofthefour-rotorUAVisachievedbydrivingbrushlessDCmotor.C

5、ameras,surveillanceandotherfunctionscanbeachievedwhentheUAVisequippedwithcamerasandappropriategroundstationsoftware.Keywords:UAV;automaticpilot;groundstation15151.无人机概述及系统总体微型四旋翼无人飞行器是一种外形新颖，性能优越的垂直起降无人飞行器，具有较高的军用和民用价值。该飞行器是一种“碟形”飞行器，具有新颖的结构布局和独特的飞行方式，利用空气动力来克服自身重量，可自主或遥控飞行

6、，并且能够携带一定载荷，可配备专用仪器实现一些特定功能。微型四旋翼无人飞行器是一个具有六个自由度，而只有四个控制输入的欠驱动系统，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，这些使得飞行控制系统的设计变得非常困难。其次，在飞行过程中它不仅受到各种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，很难获得其准确的性能参数。为了在复杂的环境中获取最优的姿态航向等信息，系统拟采用多组传感器融合的技术方案，首先利用三轴的MEMS陀螺和加速度计构成一个微惯性测量单元（MIMU），从惯性导航的自主性和可靠性的角度出发，把MIMU作为系统的主传感器，为了克

7、服MEMS惯性器件的随机漂移和姿态解算算法的累积误差，用红外平衡仪修正其姿态，用地磁传感器修正其航向，结合GPS的经纬度15、高度、速度等信息，利用高效的信息融合算法，得到飞行器最优的导航参数，从而完成飞行器的自主飞行和姿态的最优控制。考虑到采用多传感器信息融合以及欠驱动控制系统算法设计的复杂性，无人机采用Altera公司的高性能FPGA芯片，以满足导航传感器的信息融合，实现无人飞行器的最优控制。2.无人机设计无人机的飞行器载体主要分为四旋翼飞行器模型、动力系统及飞行姿态检测和控制系统，其整体结构示意图如下：图1系统总体结构图四旋翼无人飞行器

8、是固联在刚性十字交叉结构上的由四个独立电机驱动的系统。四只旋翼分别安装于正方形机体的四个顶点位置，分为顺时针和逆时针两组，位于同一对角线上的两只旋翼为同一组。由于电