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I
摘 要
四旋翼无人机是是一种稳定性强、结构简单的无人机。本次设计是以
STM32F103C8T6 为核心,以 MPU6050 作为飞行姿态感应模块,采用卡拉曼算法、
四元数姿态解算、PID 控制算法软硬结合的方式来研究并制作四旋翼无人机。本
文在通过大量文献查阅的基础上,讲述了四旋翼无人机发展历程以及国内外的发
展概况,简述了无人机的结构及基本原理、硬件部分的设计与选择。详细论述了
软件部分的设计与算法的实现。经过大量调试,最终制作出可以稳定飞行的无人
机。实际操作表明,该设计具有性能稳定,易于操控等优点,达到了设计要求。
关键词:四旋翼无人机,四元数姿态解算,PID 控制算法,卡拉曼算法
II
Design of Four-rotor UAV Based on stm32
Abstract
The four-rotor UAV is a kind of UAV with strong stability and simple
structure. This design takes the STM32F103C8T6 as the core, takes the
MPU6050 as the flight attitude sensing module, uses the Kalman Filter
Algorithm, the quaternion attitude computation, the PID control algorithm
soft and hard union way to study and manufacture the four-rotor UAV. On
the basis of a large number of references, this paper describes the
development course of the four-rotor UAV and the development situation
at home and abroad, and briefly describes the structure and basic
principle of the UAV, the design and selection of the hardware part.The
design of software and the realization of algorithm are discussed in
detail. After a lot of debugging, the UAV can be made to fly stably.
Practical operation shows that the design has stable performance and is
easy to control and other advantages, to meet the design requirements.
Key words : The four-rotor UAV,quaternion attitude computation,PID
control algorithm,Kalman Filter Algorithm
III
目 录
1 前言........................................................................1
1.1 四旋翼无人机设计的目的、意义及应达到的技术要求..........................1
1.1.1 四旋翼无人机设计的目的及意义........................................1
1.1.2 四旋翼无人机的技术要求..............................................1
1.2 四旋翼无人机的发展历程概况..............................................1
1.3 四旋翼无人机简介及前景..................................................3
1.4 四旋翼无人机设计应解决的主要问题........................................4
2 四旋翼无人机设计总体思路....................................................5
2.1 软件设计的思路..........................................................5
2.2 方案选择................................................................5
2.3 研究方法................................................................6
3 四旋翼无人机的结构与运动姿态................................................7
3.1 无人机的结构............................................................7
3.2 四旋翼无人机的运动姿态..................................................7
4 飞行控制系统硬件设计........................................................9
4.1 主控制器................................................................9
4.2 传感器模块..............................................................9
4.3 电机驱动...............................................................10
4.4 电源电路...............................................................10
5 软件设计总体思路...........................................................12
5.1 MPU6050 六轴数据获取 ...................................................12
5.1.1 IIC 的使用 ........................................................12
5.1.2 读取 MPU6050 ......................................................12
5.1.3 具体程序解析......................................................12
5.2 卡尔曼滤波............................................................13
5.2.1 滤波的作用.........................................................13
5.2.2 具体程序解析.......................................................14
5.3 无人机姿态描述.........................................................15
5.4 四元数姿态解算.........................................................17
5.5 姿态控制...............................................................19
5.5.1 PID 的简单介绍 .....................................................19
5.5.2 PID 参数整定 .......................................................19
5.5.3 四旋翼无人机的姿态控制.............................................20
5.5.4 PID 调节顺序及具体程序解析 .........................................20
5.6 PWM 控制输出 .............................................................21
5.6.1 PWM 简介 ...........................................................21
5.6.2 PWM 对电机的控制简述 ...............................................22
6 系统调试与飞行测试.........................................................23
7 总结.......................................................................24
参考文献.....................................................................25
谢 辞........................................................................26
附 录........................................................................27
1
1 前言
四旋翼无人机亦称四旋翼直升机。它是指没有人员在机体内,可遥控的一种
机体。四旋翼无人机具有四个独立的电机结构,运用现代的控制技术可实现操控,
应用领域十分广泛。它与单旋翼直升机相比,具有低成本、体积小、高性能、构
造独特等特点。随着计算机和通讯的迅猛发展,机械电子的优化升级,无人机成
为当下的一个研究热点。四旋翼无人机具有低成本、体积小、高性能等特点,被
广泛应用于各个领域。
本文将对基于 STM32 的四旋翼无人机进行全面简述,并对它的历史进行了
概括论述,通过讲述无人机的特点,从而把控它现在以及未来的趋势。简述了机
体飞行原理以及硬件设计,并着重论述程序及控制算法的演算比如通过惯性导航
引出四元数算法,由浅入深的解释卡尔曼原理,最后通过制作实物验证设计的合
理性。
1.1 四旋翼无人机设计的目的、意义及应达到的技术要求
1.1.1 四旋翼无人机设计的目的及意义
设计并做出一架四旋翼无人机,旨在通过设计和动手组装调试的过程,提高
对嵌入式的深层理解,提高对机电一体的设计能力,了解惯性导航高科技领域,
体会算法的优美之处。通过多人协作的方式,提高团队项目的建设能力以及团队
合作研发能力。通过对课题研究这一过程,做到了理论与实践相结合,不仅提高
理论水平,也提高了自身的实践水平。
同时,这架无人机的制作,将深入探讨无人机姿态的控制,在软件部分,将
以笔者的学习经验对算法进行论述和推导,希望可以给到读者一定的启发,做到
一点补充的作用。并且四旋翼无人机是当今的一大热点,它的用途十分广泛,通
过这次设计也能对此领域进行初步的探索。
1.1.2 四旋翼无人机的技术要求
四旋翼无人机可以分成硬件系统设计,软件系统设计,机体结构设计以及机
体的信号处理。基本要求是无人机可以实现稳定飞行,由上位机控制做到左右飞
行,上下油门,水平旋转等功能。笔者主要负责软件系统设计,在实现飞行控制
的前提下,尽可能去除冗余,提高软件代码的效率。同时考虑通过 PID 参数整
定提高无人机的安全性及可靠性。
1.2 四旋翼无人机的发展历程概况
1907 年,第一架四旋翼无人机被制造出来,但是由于稳定性的问题,飞行
效果并不是很好,尽管如此,这次的尝试对于现代四旋翼无人机的发展起到了很
2
大的作用。它的发明人则是来自法国的一对兄弟。
图 1.1 法国第一架四旋翼直升机
到了上世纪 20 年代初,美国人发明了世界上第一台大型四旋翼无人机。之
后,美国人又专门成立了飞行器小组,进行了三年的深入研究。于是,Oemichen
四旋翼直升机诞生了。它的主要成果是可以垂直飞行,高度达到 1000 米,在当
时这个飞行高度可以说是举世震惊。此后的一段时间,人们又做了许多的尝试,
遗憾的是稳定性的提高成为桎梏。即使在军工领域上无人机做到了相对稳定,也
达不到相应的速度和高度的要求,因此对四旋翼无人机的研究一直没取得什么重
大的进展。
图 1.2 Oemichen 四旋翼直升机
随着微机电系统的不断研究和发展,惯性导航系统有着十分轻巧等特点,
在 1990 年初,它很快被研究者开发使用。这为无人机的自动控制奠定了基础。
此时,多旋翼无人机主要是玩具的形式进行发展。90 年代初,美国工程师
M.Dammar 经过长时间的设计打磨,最终通过自己的努力开发了四旋翼 Roswell
Flyer,这款机器的特点之一便是用电池发电,后来他选择与加拿大 Dragonflyer
公司合作,将产品销售出去。之后,MEMS 惯导系统虽然广泛应用,但是其传
感器的噪声很大,于是人们又用了很长时间来研究降噪和飞行姿态控制算法。终
于,德国在 2005 年制作出了 MD4-200,它可以实现自主悬停并且做到了真正稳
定,这在当时是可谓是一枝独秀。而多旋翼无人机的商用飞行,也是在 2004 年
才刚刚开始。这个时候,大疆也还只是陪跑者。此后,许多国家也都制作出了搭
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