四旋翼无人机毕业设计

渤海大学本科毕业论文（设计）

四旋翼无人机设计与制作

The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned

Aerial Vehicle

学 院（系）： 专 业： 学 号： 学 生 姓 名： 入 学 年 度： 指 导 教 师： 完 成 日 期：

四旋翼无人机设计与制作

摘 要

四旋翼无人机飞行器因为它的结构简单，而且控制起来也很方便，因此它成为了近几年来发展起来的热门产业。在这里本文详细的介绍了四旋翼飞行器的设计和制作的过程，其中包括了四旋翼无人机飞行器的飞行原理，硬件的介绍和选型，姿态参考算法的推导和实现，系统软件的具体实现。该四旋翼飞行器控制系统以STM32f103zet单片机为核心，根据各个传感器的特点，采用不同的校正方法对各个传感器数据进行校正以及低通数字滤波处理，之后设计了互补滤波器对姿态进行最优估计，实现精确的姿态测量。最后结合GPS控制与姿态控制叠加进行PID控制四旋翼飞行器的四个电机，来达到实现各种飞行动作的目的。在制作四旋翼飞行器的过程中，进行了大量的调试并且与现有优秀算法做对比验证，最终设计出能够稳定飞行的四旋翼无人机飞行器。

关键词：姿态传感器；四元数姿态解算； STM32微型处理器；数据融合；PID

- I -

四旋翼无人机设计与制作

The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned Aerial

Vehicle

Abstract

Quad-rotor unmanned aerial vehicle aircraft have a simple structure, and it is very easy to control, so it has become popular in recent years. Here article describes in detail the design and the process of making the four-rotor aircraft, including Quad-rotor UAV aircraft flight principle, hardware introduction and selection, implementation and realization of derivation attitude reference algorithm, the system software . The Quad-rotor aircraft control system STM32f103zet microcontroller core, and the advantages and disadvantages based on the accelerometer sensor, a gyro sensor and electronic compass sensors using different correction methods for correcting various sensor data and low-pass digital filter processing, after design complementary filter to estimate the optimal posture, precise attitude measurement. Finally, GPS control and attitude control PID control is superimposed four-rotor aircraft four motors to achieve a variety of flight maneuvers to achieve the purpose. Four-rotor aircraft in the production process, a lot of debugging and do comparison with the existing excellent algorithm validation, the final design to stabilize the Quad-rotor UAV flying aircraft.

Key Words：MEMS Sensor; Quaternion; STM32 Processor; Data Fusion; PID

- II -

四旋翼无人机设计与制作

目 录

摘 要 ................................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................................. II 1 绪论 ................................................................................................................................ 1

1.1 研究背景及意义 .................................................................................................. 1 1.2 国内外四旋翼飞行器的研究现状 ...................................................................... 1

1.2.1国外四旋翼飞行器的研究现状 .................................................................. 1 1.2.2国内四旋翼飞行器的研究现状 .................................................................. 3 1.3 本文研究内容和方法 .......................................................................................... 4 2 四旋翼飞行器工作原理 ................................................................................................. 5

2.1 四旋翼飞行器的飞行原理 .................................................................................. 5 2.2 四旋翼飞行器系统结构 ...................................................................................... 5 3 四旋翼飞行器硬件系统设计 ......................................................................................... 7

3.1 微惯性组合系统传感器组成 .............................................................................. 7

3.1.1 MEMS陀螺仪传感器 .............................................................................. 7 3.1.2 MEMS加速度计传感器 .......................................................................... 7 3.1.3 三轴数字罗盘传感器 ............................................................................... 8 3.2 姿态测量系统传感器选型 .................................................................................. 8 3.3 电源系统设计 .................................................................................................... 10 3.4 其它硬件模块 .................................................................................................... 10

3.4.1 无线通信模块 ......................................................................................... 10 3.4.2 电机和电机驱动模块 ............................................................................. 11 3.4.3 机架和螺旋桨的选型 ............................................................................. 12 3.4.4 遥控控制模块 ......................................................................................... 13

4 四旋翼飞行器姿态参考系统设计 ............................................................................... 15

4.1 姿态参考系统原理 ............................................................................................ 15 4.2 传感器信号处理 ................................................................................................ 16

4.2.1 加速度传感器信号处理 ......................................................................... 16 4.2.2 陀螺仪信号处理 ..................................................................................... 16 4.2.3 电子罗盘信号处理 ................................................................................. 17 4.3 坐标系 ................................................................................................................ 17 4.4 姿态角定义 ........................................................................................................ 18 4.5 四元数姿态解算算法 ........................................................................................ 19 4.6 校准载体航向角 ................................................................................................ 27 5 四旋翼飞行器系统软件设计 ....................................................................................... 29

5.1 系统程序设计 .................................................................................................... 29

5.1.1 姿态参考系统软件设计 ......................................................................... 29 5.1.2 PID控制算法设计 .................................................................................. 30

结论 ..................................................................................................................................... 32 参 考 文 献 ....................................................................................................................... 33

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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[1]，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[2]，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[3]。

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[4]，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卫星导航系统和摄像设备，

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图 3.9 朗宇无刷电机 图 3.10 电子调速器实物图

3.4.3 机架和螺旋桨的选型

对于机架的选择，差的机架会使姿态传感器读取到的数据噪声较大，加大四旋翼飞行器在飞行过程中的不稳定性，因此选用结构稳定，质量较轻的碳纤机架，这样很大程度上也提高了飞行器的载重。机架实物图如图3.11所示。

螺旋桨是由电机转动带动为四旋翼飞行器提供升力的。螺旋桨分为正反桨，顺时针方向转的电机需要配正桨，逆时针转的电机需要配反桨。桨的选型需要结合所选的电机来配备，从桨的型号我们可以读出桨的直径和角度，例如1047中的前两位10表示桨的直径单位是英寸，后两位代表桨的角度。的螺旋桨，同样转速情况下产生的升力就会越大，也就需要更大的电机驱动，这就需要根据电机的大小去选择桨的型号。在设计时选用1047的桨，桨的实物图如图3.12所示。

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图 3.11 四旋翼飞行器机架 图 3.12 1047正反桨

3.4.4 遥控控制模块

该遥控器控制模块是由一个7通道的遥控器和配套的接收机组成的，接收机上的油门、副翼、升降舵、方向舵通道分别与控制器上的接口相连。控制器能通过定时器的捕获功能，捕获到遥控器通过接收机传出的控制信号，遥控器就是这样控制四旋翼飞行器的飞行动作的。遥控器和接收机的实物图如图3.13所示。

图 3.13遥控器和接收机实物图

–13–

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4 四旋翼飞行器姿态参考系统设计

4.1 姿态参考系统原理

姿态参考系统是利用惯性导航器件来测量载体姿态角的一种惯性导航系统。因为MEMS传感器的数据带有噪声，因此姿态参考系统需要对MEMS传感器的测量信息进行滤波处理。然后对滤波信号进行姿态解算。由于姿态传感器各自特点的不同，所以需要对每个传感器信号进行滤波然后进行数据融合，以此来提高测量的精度和系统的动态特性。姿态参考系统的原理图，如图4.1所示。

三轴加速度计低通滤波/均值滤波四元数/欧拉角姿态解算三轴陀螺仪卡尔曼滤波/均值滤波互补滤波 俯仰角 横滚角 航向角三轴电子罗盘去极值滤波航向解算 图 4.1 姿态参考系统原理图

从MEMS传感器采集到的数据传输到控制器处理的过程中会受到很多因素的干扰，造成传输误差，为了减小误差，提高检测的精度就需要用滤波器进行数据处理。滤波器可以通过硬件实现，也可以通过软件实现，具有较大的灵活性[16]。

从加速度传感器提取到的信号经过姿态解算后的姿态角信号在和陀螺仪数据进行融合的过程中以低频信号为主的。根据这一特性，加速度传感器的输出信号可以通过低通滤波器或者均值滤波器提高信噪比。

陀螺仪信号具有高动态的特点，它的信号噪声主要为高斯白噪音，我们可以通过卡尔曼滤波器来滤除这种高斯白噪声。因为需要融合加速度传感器获得的姿态角信号，所以选择均值滤波来去除噪声。

电子罗盘传感器测量的是地磁强度，我们都知道物体在运动时地磁强度变化慢，它在姿态测量系统中属于低频信号，因此采用均值滤波来滤除噪声信号。

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欧拉角和四元数方法都是针对陀螺仪姿态测量进行处理的数学方法，可以有效地解算处姿态角。把解算出来的姿态角进行数据融合。考虑到高动态下陀螺仪测得的数据解算出的姿态角比较准确因此在高动态条件下选用陀螺仪信号，低动态下加速度信号解算出的姿态角更稳定因此在低动态条件下选择加速度信号。

4.2 传感器信号处理

4.2.1 加速度传感器信号处理

加速度传感器的输出信号主要表示直线加速度大小和与重力方向的夹角[17]。 常用的数字滤波器有很多种，例如：限值滤波、递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）、算术平均滤波法、中位值滤波法和中位值平均滤波法等[18]。

在实际的姿态解算中一般采用低通滤波器或者均值滤波器去除高频噪声干扰信号。均值滤波因其具备低通滤波的特性并且计算简单，因此选用均值滤波来处理加速度信号。

4.2.2 陀螺仪信号处理

陀螺仪信号滤波要选择卡尔曼滤波算法。对于卡尔曼滤波器，首先要清楚系统状态的描述方法，系统状态的更新方法和系统测量值的更新方法，从卡尔曼滤波算法的数学公式，我们可以归纳出它的核心思想：首先根据系统上一次得来的最优值计算出当前的估计值和协方差，再根据协方差大小计算出卡尔曼增益的大小，最后根据当前估计值和测量值计算出当前最优值和协方差。下面分步建立卡尔曼滤波方程式： 预估计最优值方程：

X(k|k-1) = A(k,k-1) * X(k-1|k-1) + B(k) * U(k) (4-1) 上式中，X(k|k-1)表示的是根据k-1时刻的最优值计算出的k时刻估计值；X(k|k-1)表示k-1时刻的最优值；A(k,k-1)是状态转移矩阵；B(k)是输入控制加权矩阵；U(k)表示k时刻的输入控制信号，这些参数需要根据具体的应用场合进行设计。 预估计最优值协方差：

P(k|k-1) = A(k,k-1) * P(k-1|k-1) * A(k,k-1) + Q(k) (4-2) 其中，P(k|k-1)表示预估计最优值X(k|k-1)对应的协方差；P(k-1|k-1)表示X(k-1|k-1)对应的协方差，表示了对预测值的信任度；Q(k)表示k时刻系统过程的协方差，即对上一次测量估计值的信任程度，Q矩阵值越大表示信任度越低，需要根据具体应用进行设计。P和Q矩阵的区别在于Q矩阵是根据模型直接得到的，P矩阵是算法过程中通过计算获得的。

计算卡尔曼增益矩阵：

–16–

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4.6 校准载体航向角

通过三轴数字电子罗盘可以校准陀螺仪积分获得的航偏角以消除累计误差。如果电子设备干扰强烈的情况下需要暂停数字罗盘的数据融合[37]，因为这样测到的数据误差非常的大。对地磁传感器常用的校准方法之一是平面校准法[38]：使用数字罗盘前，对其进行初始化，然后进行磁场校准，将传感器水平放置并旋转一周得到新的圆周圆心位置((xmax?xmin)/2,(ymax?ymin)/2) [39]。这是对水平的xy平面的校准，校准前后对比如图4.4所示。

图 4.4 xy平面校准前后对比

同理需要对竖直平面xz进行校准，校准前后的对比图，如图4.5所示。

图 4.5 xz平面校准前后对比

bHb???HxbHyRHzb?在导航坐标系R系各轴的分量HR???，?HxTRHyT

当载体静止时，设地球磁场强度H在载体坐标系b系各个轴的分量为

HzR?根据 ?，

HR?CbRHb可得：

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?HxR??cos??R?? ?Hy???0?HzR?????sin?sin?sin?cos??sin?cos?b??cos?sin???Hx??Hb? (4-28) sin???y?b?cos?cos??Hz????R

将4-22式求得的?、?代入上式，即可求出HxR和Hy。航向角?可由式4-24得

出：

??arctaHRHnyR x–28–

(4-29)

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5 四旋翼飞行器系统软件设计

5.1 系统程序设计

5.1.1 姿态参考系统软件设计

姿态参考系统的软件部分主要是对MEMS传感器数据和三轴数字电子罗盘传感器的数据进行处理和数据融合，图5.1给出了姿态参考系统的软件流程图。

开始系统初始化初始化IIC接口初始化MEMS传感器初始化数字电子罗盘读取传感器ID是否正确？Y配置MEMS传感器参数N配置地磁传感器参数读取加速度数据读取陀螺仪数据读取地磁传感器数据低通滤波or平均滤波卡尔曼滤波去极值滤波四元数姿态结算姿态结算互补滤波输出姿态角结束

图 5.1 姿态参考系统程序流程图

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通过软件流程图可以清楚地看到，系统首先完成MCU内部初始化的工作，即配置STM32使用到的外设，包括时钟系统、NVIC中断控制器、USART串口通信、I2C接口、定时器；然后进行硬件初始化以及系统的姿态解算，采用模块化的设计，具体包括以下4个部分：(1)初始化硬件；(2) MEMS惯性测量单元的数据采集模块；(3)多传感器数据融合的姿态解算模块；(4)姿态信息输出模块。

首先开启定时器中断，在2.5ms的计时中断实现通过I2C接口读取MEMS传感器和三轴数字电子罗盘的测量数据，根据传感器的特点进行滤波后，再利用初始校正所得到的校正数据对读取的数据作校正，校正完后转换成实际的物理量，再对其做加权平均减小误差，然后进行四元数姿态解算和地磁数据校准，最后进行数据融合输出姿态角信息。

5.1.2 PID控制算法设计

根据四旋翼飞行器的工作原理知，因为其结构对称，所以改变电机的转速差能够实现对飞行器的姿态控制，而飞行器的位置控制要靠电机的总升力和飞行器姿态改变的[40]。所以，将飞行控制系统分为位置控制系统和姿态控制系统分别进行控制设计。由于飞行器姿态会直接影响到飞行器的位置，认为飞行器姿态控制器为内环控制器，位置控制器为外环控制器。这种数字式PID控制有位置式PID控制算法和增量式PID控制算法两种形式，这里采用的是增量式PID算法[41]，其表达式为：

k?e(k)?Ik?(ek)?Dk[?(ek)??(e?k??u(k)?P ? (5-1)

?1)?u(k)??u(k)?u(k其中，kP为比例系数，kI为积分系数，kD微分系数。u(k)是第k次采样时刻计算的PID输出值，e(k)是第k次采样时刻控制器输入的偏差。

?e(k)?e(k)?e(k?1)，?e(k?1)?e(k?1)?e(k?2)

四旋翼飞行器的姿态可分为俯仰角、横滚角和偏航角，针对每一个自由度都是一个二阶系统[42]。对每个姿态角都进行PID控制，这样就可以将复杂的非线性多变量输入多变量输出控制问题化简为两变量输入单变量输出的问题[43]。如式5-2所示。

?P1???P2? ??P3??P??4PP??P??Ph??PP??P??Ph?? (5-2)

PP??P??Ph??PP??P??Ph??–30–

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这里P1、P2、P3、P4代表的是控制四个电机所需要的PWM值，Ph表示的是飞行器停留在空中需要的PWM值，可以由遥控器输入或者自动高度修正，P?、P?、P?分别表示的是俯仰角偏差、横滚角偏差和航向角偏差、及其变化率所需的PWM值，把PWM限制在一定的范围之内。

P?、P?、P?采用串级PID控制算法，内回路是角速度控制回路，外回路是角度控制回路。三个角度的控制规律是一致的，以俯仰角的控制为例，如图5.2所示，其中?为控制飞行器的期望俯仰角，?和??分别表示飞行器俯仰角角度和俯仰角角速

r度。?1是外环PID的输出值，?out是内环PID控制器的输出值，且?out?P?。

期望的欧拉角? +r +角度PID控制-??1-??角速度PID控制?out电机四旋翼飞行器姿态

图 5.2 串级PID控制图

首先需要求出四旋翼飞行器姿态误差信号也就是期望值的姿态角与当前获取到的姿态角的差值，然后通过串级PID控制算法求得各个电机的调整量，将调整信号传递给四个旋转电机，改变电机的转速来控制整个系统的姿态，使其姿态误差始终趋于最小，形成双级闭环回路控制系统。

–31–

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结论

通过本次毕业设计我从中学到了很多实际应用的知识，掌握了四旋翼飞行器的原理，也学到了很多算法，能够真正把理论结合到实践当中去，获益良多；在这中间也遇到了许许多多的问题，在老师和学长的帮助下都一个一个的解决了，这个过程也是真正学习和进步的过程。四旋翼飞行器因其结构简单、控制方便，不用考虑复杂的流体力学等结构而非常受欢迎。本次设计主要做了如下的工作：

(1)了解了四旋翼飞行器的国内外的研究现状；

(2)详细介绍了四旋翼飞行器的飞行原理、动作原理和姿态控制原理等； (3)完成了姿态测量系统的选型工作并且基于这些传感器设计了电路原理图并且做出了电路板，搭建了硬件平台，对飞行器的机架、电机、电子调速器、螺旋桨、电源等硬件结构系统进行了配型和搭建；

(4)通过阅读大量的文献资料完成了对四旋翼飞行器姿态算法的研究工作，从坐标系的建立和坐标变换到四元数姿态矩阵的推导都有详细的说明，针对加速度数据、陀螺仪数据和地磁数据的特点分别给出了合适的滤波算法，在数据融合方面对地磁数据进行姿态解算得出航向角，然后对四元数得到的航向角进行校正；

(5)使用串级PID控制算法一定程度上使得控制效果更好，对定高控制系统进行了简要的介绍说明，完成了对四旋翼飞行器的参数调试和整定工作。

虽然在飞行器试飞过程中，能够很好地实现飞行功能，但是仍有一些不足之处需要改善，主要有以下几个方面：

(1)因为电机和机架的震动较大，加速度计对姿态的干扰无法消除，当遥控器没有给出遥控指令的时候，飞行器会往一边偏移。

(2)陀螺仪累积误差导致姿态的误差会越来越大。

(3)四旋翼飞行器的稳定飞行对四个电机和电子调速器性能的一致性要求较高。 (4)需要上位机实时返回四旋翼飞行器的飞行参数，然而我们还没有作这方面的工作。

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四旋翼无人机设计与制作

参 考 文 献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/88f6.html