民用多旋翼航拍无人机飞行的设计初稿(4)(3)

南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目 设计（论文）题目来源 民用四旋翼无人机的设计 自选题目 起止时间 2015.12-2016.06 设计（论文）题目类型 产品设计 一、设计（论文）依据及研究意义： 设计依据： 1.四元数法卡尔曼滤波可以对无人机姿态进行解算与数据融合； 2.PID算法可以对四旋翼无人机进行姿态控制； 3.各类型传感器相互配合可是的无人机操作控制更加精准。 研究意义：四轴多旋翼无人机的结构比较简单，成本相对较低，方便维修，与其他无人机相比还具有体积小、重量轻、控制灵活方便、可垂直起降、可空中定点悬停等特点，不论在军事上领域还是民用领域都能够得到非常广泛的应用。在军事领域，四旋翼无人机能够全方位、多角度、远距离的对目标区域进行实时低空侦查，并同步传送影像，可进行现场伤员评估；此外还能直接加入现代化战争，化身现代化武器，比如远程空投炸弹等，在民用领域，四旋翼无人机还能够用于航空摄影、地震灾情探查、人员搜救、物件运输、监控巡查等方面。 二、设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线） 主要研究内容： 1.飞行控制系统的数学建模，硬件结构的数学建模； 2.对各传感器模块研究，并完成数据的采集； 3.采用四元数法卡尔曼滤波对无人机姿态进行解算与数据融合； 4.采用PID算法对四旋翼无人机进行姿态控制； 5.对飞行器进行地面静态测试实验和空中动态飞行测试实验。 预期目标： 1.完成飞行控制系统以及硬件结构系统的设计； 2.完成对各传感器组装的工作； 3.设计完成后进行实物制作，并试飞。

三、设计（论文）的研究重点及难点： 研究重点： 1.多旋翼无人机的飞行控制设计以及整机电路设计 2.多旋翼无人机的飞行控制系统的各部分传感器相互协同作业，各部分数据收集反馈回核心处理器。 3.多旋翼无人机的稳定性。 研究难点： 1.飞行控制系统的算法设计以及卡尔曼滤波等知识的运用 2.飞行控制系统各传感器协同作业的稳定性 四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）： 2015年12月～2016年1月：资料收集、整理，撰写文件综述和开题报告。 2016年2月：方案设计。 2016年3月：各部件选型以及初步确定飞行控制系统和电子调速器的设计方案。 2016年4月：飞行控制系统以及电子调速器的设计。 2016年5月：调试代码，试飞，撰写、修改毕业设计论文、毕业设计答辩。 五、进行设计（论文）所需条件： 1.熟悉题目，了解设计内容要求任务，通过查阅相关科技文献初步拟定设计方案。 2.收集各类资料，包括借阅相关书籍。 3.购买 实物制作相关材料以及准备调试相关软件 六、指导教师意见： 签名： 年 月 日

南华大学船山学院毕业论文（或设计）

摘要：本设计首先是对四旋翼无人机飞行器的整体结构组成和操作原理进行理论性分析，然后按照任务书设计要求，制定了飞行器控制系统的总体方案，主控制器芯片采用的是ARM公司研发生产的STM32F106微处理器芯片，飞行姿态传感器选用的是MPU6050集成模块，该模块内部集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计等精密检测元件；飞行航向检测模块采用的是拥有超高灵敏度的 HMC5883L磁罗盘航向计；飞行高度测量模块选用的高精度BMP085气压计；定位导航采用的是GPS定位模块，定位芯片选用的是u-blox 公司研发生产的NEO-6M定位芯片；无线通信数据用NRF24L01 模块来实现。当硬件部分整体设计完成之后，便开始对无人机控制系统和传感器的软件架构进行整体设计。首先是进行各部分传感器数据的采集，然后利用内部程序采用卡尔曼滤波的方法对传感器数据进行处理；采用PID控制算法实现了对飞行器的姿态控制；根据STM32F106处理器芯片的快速收集功能，能够迅速捕获到接收机接收的地面的控制信号，用来完成对无人机的瞬间控制作用；另外在飞行控制系统软件中还加入了无线数据通信模块，通过这个模块能够让地面站和无人机在飞行的时候能够移动通信，并且能够将无人机上的传感器采集的高度、气压、飞行速度、温度、湿度、姿态角等信号数据传回地面站，最后对制作完毕的无人机进行了测试，首先是在地面调整各项参数以及修正部分程序的不足之处，接着就是调整各个姿势的PID数值。保证无人机在正常飞行的情况下在各个动作都能够保证稳定飞行，同时测试数传信号和图传信号的稳定性。最后是进行无人机的空中的飞行实验，在这个阶段分别对无人机进行了上下极限飞行，前进后退飞行，左右旋转，悬停等试验，经过测试结果表明，该款无人机能够完成遥控模块给出的各项指令以及在地面站和无人机之间的信号传输。符合设计要求。

四旋翼无人机飞行器拥有着操控灵活、机体小、重量轻、稳定性优良、可垂直起降和自由悬停等特点，这几个特点不管是在军事应用上还是民用领域上都有着广泛的应用前景。

关键词：四旋翼无人机，飞控系统，GPS 定位

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Abstract:Four rotor unmanned spacecraft with flexible control, the body is small, light

weight, good stability, vertical take-off and landing and free hovering etc, these a few characteristics both in military application and has a broad application prospect in civilian areas. This design is the first of four rotor unmanned spacecraft overall structure and operating principle of theoretical analysis, and then according to the design specification requirements, formulate the overall plan of aircraft control system, main controller chip is the ARM microprocessor chip research and development production STM32F106, flight attitude sensor is chosen MPU6050 integration module, the internal integration module integrates the three-axis gyroscope and three-axis accelerometer and other precision detecting element; Flight heading detection module USES is with ultra high sensitivity of magnetic compass heading HMC5883L meter; Flying height measuring module choose high accuracy BMP085 barometer; Navigation and positioning using GPS positioning module, positioning chip selection is u - blox company research and development production of NEO - 6 m positioning chips; Use NRF24L01 wireless data module. When the hardware part of the overall design is completed, in unmanned aerial vehicle (uav) control system and the software architecture for the overall design of the transducer. Is each part of the sensor data acquisition in the first place, then use the internal procedures using kalman filtering method to deal with the sensor data; PID control algorithm was adopted to realize the attitude control of aircraft; According to STM32F106 processor chip quickly gather function, can quickly capture the receiver receive the ground of the control signal, used to complete the moment control of unmanned aerial vehicle (uav); In the flight control system software also joined the wireless data communication module, through this module will help keep the ground stations and unmanned aerial vehicle (uav) at the time of flight to mobile communication, and can collect the sensors on the uav flying height, air pressure, velocity, temperature, humidity, attitude Angle, such as signal data back to the station, the last of the finished unmanned aerial vehicle (uav) was tested, first is on the ground to adjust the parameters as well as the deficiency of fixed part program, followed by adjusting the position of the PID values. To ensure unmanned aerial vehicle (uav) in the case of a normal flight in every action can ensure stable flight, at the same time testing the stability of the digital signal and the signal. Drone air flight experiment, finally is to separate the unmanned aerial vehicle (uav) at this stage the extreme flying up and down, forward backward fly, spin around, hovering and test, the test results show that the uav can complete every order of remote control module is given and the signal transmission between ground stations and unmanned aerial vehicle (uav).

Key words：The four rotor UAV, flight control system, GPS positioning

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目录

1、绪论............................................................. 1

1.1设计背景及意义 ............................................. 1 1.2国内外发展现状 ............................................. 1 1.2.1国外发展现状 ............................................ 1 1.2.2国内发展现状 ............................................ 2 2、四旋翼无人机工作原理............................................. 3

2.1四旋翼无人机硬件结构和工作原理 ............................. 3 2.1.1四旋翼无人机的组成结构 .................................. 3 （1）四轴机架................................................ 4 （2） 动力系统............................................... 4 （3） 飞行控制系统........................................... 4 2.1.2四旋翼无人机工作原理 .................................... 4 （1） 悬停................................................... 5 （2） 垂直上升和下降运动..................................... 5 （3） 前后运动和俯仰运动..................................... 5 （4）左右运动和横滚运动...................................... 6 （5） 左右旋转运动........................................... 7 3、 四旋翼无人机飞行控制系统硬件设计................................ 8

3.1飞行控制系统设计总体方案 ................................... 8 3.1.1 飞行控制系统设计要求.................................... 9 3.1.2飞行控制系统设计方案 .................................... 9

3.2四旋翼无人机飞行控制器模块设计 ............................ 11 3.2.1主控制器选型 ........................................... 11 3.2.2STM32主控制器硬件设计 .................................. 12

3.3传感器模块的设计 .......................................... 13 3.3.1IMU传感器模块设计 ...................................... 14 3.3.2 磁航向计模块设计....................................... 18 3.3.3 高度传感器模块设计..................................... 19 3.3.4 GPS 定位模块设计....................................... 21

3.4 无线通信数据链 ............................................ 23 3.4.1 手持无线遥控器......................................... 23 3.4.2 无线数据传输........................................... 24 4、软件设计与测试.................................................. 27 4.1 软件开发环境简介 ........................................... 27

4.2 传感器的数据采集与分析 .................................... 27 4.2.1 数据采集所采用的 I2C 总线协议介绍 ...................... 27 4.2.2 姿态传感器数据采集..................................... 28 4.2.4 磁航向模块数据采集..................................... 33 4.3.2 GPS 模块定位性能测试................................... 36

4.4 传感器的数据处理 .......................................... 37

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