大学生电子设计竞赛

设计报告

摘要：本设计实现基于STM32开发板的十字形四旋翼飞行器，四旋翼由主控制板、陀螺仪、电机模块、超声波测距、电源和投弹打靶模块等六部分组成。其中，控制核心STM32负责飞行器姿态数据接收和飞行姿态控制；陀螺仪采用 MPU6050模块，该模块经过卡尔曼滤波处理采集的数据，输出数据，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的PWM增减量，及时调整电机转速，调整飞行姿态，使飞行器的飞行的更加稳定。电机模块通过电调控制无刷直流电机，超声波传感器进行测距，起飞后悬停在一定高度，打靶后降落。

Ø关键词：四旋翼；PID控制；陀螺仪，姿态角，电机控制

1系统方案

系统主要由stm32控制模块、姿态采集模块、电源模块、电机驱动模块、超声波测距模块和投弹打靶模块等六部分组成，采用十字型飞行模式，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1控制系统选择方案

方案一：

主控板使用pcduino。其内存大而且板子体积较小，重量较轻，对四旋翼的载重量要求较低。但是它对电源的要求较高，而且I/O口较少，我们刚开始学习使用，不是很熟悉，对于四旋翼的需要不够。

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，我们选择了方案二。

1.2飞行姿态控制方案论证

方案一：

十字飞行方式。四轴的四个电机以十字的方式排列，x轴和y轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整，角度融合简单，适合初学者，能明确头尾，飞行时机体动作精准，飞控起来也容易。

方案二：

X行飞行方式。四轴的四个电机以X字的方式排列，灵活性和可调性较高，调整的时候应该相邻两个融合调节，融合复杂。X型飞行方式非常自由灵活，旋转方式多样，可以花样飞行，也可以做出很多高难度动作，但是控制上相对比较困难。

综合以上两种方案鉴于我们是初次尝试，所以选择了方案一。

1.3角度测量模块的方案论证

方案一：

光纤陀螺仪。光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件， 由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的变化，决定了敏感元件的角位移。光纤陀螺仪寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻，但是成本较高，鉴于我们这是初次尝试，需要多次实验，破坏较大。

方案二：

MPU6050三轴陀螺仪。MPU6050三轴陀螺仪就是可以在同一时间内测量三个不同方向的加速度、角速度、角度。单轴的话，就只可以测定一个方向的量，那么一个三轴陀螺就可以代替三个单轴陀螺。它现在已经成为激光陀螺的发展趋向，具有可靠性很好、结构简单不复杂、重量很轻和体积很小等等特点，但是其输出数据需要大量的浮点预算才能保证较高的精度，这样会影响主控板对最终的姿态控制的响应速率。

综合以上两种方案，我们选择了方案二

2理论分析与计算

2.1Pid控制算法分析

由于四旋翼飞行器由四路电机带动两对反向螺旋桨来产生推力，所以如何保证电机在平稳悬浮或上升状态时转速的一致性及不同动作时各个电机转速的比例关系是飞行器按照期望姿态飞行的关键。所以这里我们采用到pid控制理论把飞机的当前姿态调整到期望姿态。

Pid控制是通过姿态采集模块发送回来的数据与期望姿态进行比对，如果存在误差，就对误差进行比例、积分、微分的调整，再将调整后的值加到当前电机上，从而达到调整的目的。比例调节的反应速度较快，而且调节作用明显，飞机出现俯仰和翻滚时能快速调节回来，但是稳定性较差，往往会调节过火；积分调节可以消除长期误差，排除外界因素的干扰，但是同样会降低系统整体的稳定性，使飞机发生震荡；微分调节可以预测被控设备的将来状态，及时的进行调整，而且对比例调节有抑制作用，加强单比例调节的稳定性，排除调节过度的问题。所以通过pid控制可以完全考虑到整个系统的过去、现在、将来，以使系统达到稳定。

2.2飞行姿态控制单元

飞行器模拟图如下图，姿态控制是通过陀螺仪模块进行数据的采集，根据它采集回来的俯仰角（pitch），翻滚角（roll），四旋翼采用十字型连接，这样的话能明确分离俯仰姿态和翻滚姿态，进行分别控制。这时如果飞机处于俯仰状态就调机头和机尾的电机，那边高就减小那边电机的转速，相应的那边低则加大那边电机的转速。如果飞机处于翻滚状态，则调左右电机。

3电路与程序设计

3.1电路的设计

3.1.1系统总体框图

3.2程序的设计

3.2.1程序设计流程图

4测试方案与测试结果

1、硬件测试

首先，先把四轴飞行器分块拆解，用最小的最轻的元件和电路板按照配重的需要安装在四轴飞行器上。再用物理方法测量重心，使其重心维持在四轴飞行器的中心。

连线接头要保证其牢固性，电池，主控板，陀螺仪要等机械硬件要使其牢固安装在飞机上。

这个硬件测试最关键的是PID的是三个参数调试，先调p参数，p参数是调整反应速度和力度的，当它反应迅速且两边等幅振动时即可确定p参数，再调d参数，d参数是一个抑制的作用，抑制它调制过大，使它保持在平衡位置的，当从任意角度都可以一次直接返回平衡位置时即可，最后调i参数，i参数是积分项，当哪一边反应过小时可以加一个i参数。这样就测试出一组适合的PID参数了。

2、软件仿真测试

在调试程序之前，可用串口显示每个电机PWM输出，观察各种姿态下PID控制后电机油门的大小。

3、硬件软件联调

通过stm32编程，模仿出PWM，并测量是否能通过电机驱动来使飞行器起飞，通过多次测试，找出飞行器起飞时的PWM值。

mpu6050模块通过串口向主控板发送数据，并在电脑上利用串口接收，检测数据是否正确，通过软件编程针对显示的数据进行修改。

通过mpu6050模块使四轴飞行器稳定的起飞，并悬停在空中；再进行测试，使四轴飞行器前进和后退；最后进行降落的测试。

通过超声波的测量使其悬停在100cm的空中，在进行前进后退的校准，使其飞行足够准确，之后进行对引导线的识别，使飞机平稳前进。

最后通过通过对直径为10cm的黑圆圈进行测试，使其测量到，并使四轴飞行器投弹打靶，打靶完毕后降落在黑色圆圈内。

5结论

第二篇：四旋翼飞行器实验报告

实 验 报 告

课程名称： 《机械原理课内实验》

学生学号： ****

所在学院： 海洋信息工程学院

专 业： 机械设计制造及其自动化

报导教师： **

20XX年 6 月 26 日

实验一 四旋翼飞行器实验

一、实验目的

1.通过对四旋翼无人机结构的分析，了解四旋翼无人机的基本结构、工作的原理和传动控制系统；

2. 练习采用手机控制终端来控制无人机飞行，并了解无人机飞行大赛的相关内容，及程序开发变为智能飞行无人机。

二、实验设备和工具

1. Parrot公司AR.Drone 2.0四旋翼飞行器一架；

2. 苹果手机一部；

3. 蓝牙数据传输设备一套。

4. 自备铅笔、橡皮、草稿纸。

三、实验内容

1、了解四旋翼无人机的基本结构；

2、了解四旋翼无人机的传动控制路线；

3、掌握四旋翼无人机的飞行控制的基本操作；

4、了解四旋翼无人机翻转动作的机理；

5、能根据指令控制无人机完成特定操作。

四、实验步骤

1、学生自行用IPHONE手机下载并安装AR.FreeFlight四旋翼飞行器控制软件。

2、检查飞行器结构是否完好无损；

3、安装电沲并装好安全罩；

4、连接WIFI，打开手机AR.FreeFlight软件，进入控制界面；

5、软件启动，设备连通，即可飞行。

6、启动和停止由TAKE OFF 控制。

五、注意事项

1.飞行器在同一时间只能由一部手机终端进行控制；

2. 飞行之前，要检查螺旋浆处是否有障碍物干涉；

3. 飞行之后禁止用手去接飞行器，以免螺旋浆损伤手部；

4. 电量不足时，不可强制启动飞行；

5. 翻转特技飞行时，要注意飞行器距地面高度大于4米以上；

6. 飞行器不得触水；

7. 飞行器最大续航时间10分钟。

六、实验相关问题

1. 整理四旋翼飞行器的传动控制路线。

四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，对角线方向上的旋翼旋转方向相同，相邻旋翼旋转方向相对，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。控制航行姿态的依据就是航姿传感器输出的信号。航姿传感器至少包括倾角传感器和角速度传感器。而倾角传感器可以利用三轴加速度传感器间接实现。既然是加速度传感器，那么它输出的信号表征的是当前三个轴向的加速度值，如果飞行器在空间中保持静止，那么加速度值通过简单的换算就可以得到真实的倾角参数。

2. 总结四旋翼飞行器各种飞行状态的原理。

垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。

俯仰运动：电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转速保持不变。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转，同理，当电机 1 的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。

滚转运动：改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不变，则可使机身绕 x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。

偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。当电机 1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。

前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图 b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。

倾向运动：由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

3. 说明四旋翼飞行器自由度的情况？

四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。

4. 说明四旋翼飞行器垂直上升时，两组螺旋浆的转向情况，并说明为什么这样设计？

四旋翼飞行器垂直上升时，两组螺旋浆的转向情况是对角线转向相同，相邻螺旋桨旋转方向相反，这样设计是为了保持平衡，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动。

5. 飞行器动力传动中用了何种类型的齿轮机构，试计算传动比，另说明为什么设计成无此大的传动比？

传动比i12=z2/z1=64/8=8；因为小齿轮带动大齿轮，小齿轮转动数圈大齿轮才会转一圈，小齿轮速度慢、耗费功率，不过可以产生比较大的提升力矩使螺旋桨转速很快，如果是大齿轮带动小齿轮速度很快，不过力矩小飞行器基本飞不起来，可能还会损坏电机。

七、实验总结

对于飞行器或者航模之类的映像，是在高中时期，学校有航模小组，经常可以看到拿着航模的学生在进行试飞，当时心中感觉“航模”是非常有意思并且“高科技”。如今已经历高考进入大学，在学校的为我们安排的实验中，非常幸运的能了解四旋翼飞行器，关于四旋翼飞行器，在查阅了相关资料后，有了一定的了解。

本次实验老师给我们讲了很多关于四旋翼飞行器的机构原理，运动方式，还有逻辑运算方法。并带领我们在室外亲自体验试用四旋翼飞行器，我十分兴奋的上前实验了一下，感觉用手机操控的感觉很流畅，虽然过程中有一些小失误，没有控制好，但总体十分的开心。

通过这次实验我们对四旋翼飞行器的结构进行了研究与探讨，并且按照实验要求完成了本次实验的内容，达到了这次实验的目的。使得自己有多了解了一些关于四旋翼飞行器的知识，开阔了自己的眼界。