基于AVR单片机的四旋翼飞行器设计制作

2014届毕业设计(论文)题目小型四旋翼飞行器控制系统设计与实现专业班级2010电气工程及其自动化02学号1004150213姓名孔令上指导教师文小玲教授学院名称电气信息学院2014年5月30日小型四旋翼飞行器控制系统设计与实现DesignandImplementationofControlSystemforAQuadrotorUAV学生姓名:孔令上指导教师:文小玲教授武汉工程大学毕业设计(论文)说明书I摘要四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器,它非常适合近地侦察、监视、航拍、农业播撒任务。国外某些科技公司，如亚马逊，正在开发研究利用多旋翼飞行器进行快递投送等自动化的物流业务，可见其具有广泛的军事和民事应用前景。但是四旋翼飞行器控制难度较大,难点在于飞行器具有欠驱动、多变量、非线性等比较复杂的特性。因此四旋翼飞行器的建模与控制也成了控制领域的热点和难点。四旋翼飞行器有各种的运行状态,比如:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等。本文采用牛顿-欧拉模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。本文限于作者能力未对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽的分析和研究,而是一定程度上简化了四旋翼飞行器的数学模型，在一定姿态角度内近似将其看作线性系统，以方便使用PID控制算法对飞行器在空中的三个欧拉角进行控制。本文提出了四旋翼飞行器的系统设计方案,设计了四旋翼飞行器的机械结构,对其进行了模块化设计,按照功能分别设计了姿态检测单元、姿态控制单元和执行单元三个模块。参考国际上四旋翼开源项目,基于AVR8位单片机Atmega328p、MPU6050IMU模块进行了硬件选型、电路设计与制作、软件代码的编写及调试。最终实现较好的控制结果。关键词：Atmega328p；MPU6050IMU模块；PID控制；IIC总线；C语言武汉工程大学毕业设计(论文)说明书IIAbstractThequad-rotorisaVTOLmulti-rotoraircraft.Itisveryfitfortheusageofreconnaissancemission,monitoringtask，aerialphotographingandsowingnear-Earth.What`smoreexcitingthatsomeforeigntechnologycompany，suchasAmazon.com，isdevelopingthewaytodelivercommodityviaQuadrotorUAV,soitcanbeknownthatQuadrotorUAVwillbeusedinwiderangeofmilitaryandcivilianapplications.Thequad-rotorisunder-actuated,multivariable,stronglycoupled,nonlinear,anduncertaintiescomplexfeaturessystem.Themodelingandcontrollinghavebecomeahotanddifficultyinthecontrolfield.AnovelsystemdesignofQuadrotorispresentedtosolvetheattitudecontrolproblemforaQuardrotorUAV.Thenoveldesigndividedthesystemintothreemodules:attitudedetection、stabilitycontrolandactuatormodule.ReferencingtomanyopensourceprojectsregardingQuadrotorUAVaroundtheworld,Atmega328psinglechip、MPU6050IMUischosenhere,thendesignthecircuitSchematicandmakesPCB,writeanddebugcode.Aftertheseendeavor，testingresultsshowthegoodperformanceofeachunit.Keywords：Atmega328p；MPU6050IMU；PID；IICbus；ClanguageII武汉工程大学毕业设计(论文)说明书III目录摘要..........................................................IAbstract.....................................................II第一章绪论....................................................11.1研究背景.........................................................11.2四旋翼飞行器的研究现状...........................................21.3四轴飞行器飞行原理...............................................4第二章飞行器硬件设计..........................................62.1硬件总体设计框图.................................................62.2器件选型.........................................................7第三章飞行器软件设计.........................................113.1软件总体设计框图................................................113.2初始化模块......................................................113.3遥控接收模块的PPM解码..........................................123.4电机驱动模块....................................................143.5传感器数据采集模块..............................................163.6姿态解算模块....................................................193.7信息综合与决策控制模块..........................................23第四章系统调试与实验.........................................304.1PPM解码调试....................................................304.2电机驱动PWM波形调试............................................304.3姿态解算实验....................................................314.4整机测试........................................................31第五章总结...................................................33致谢.........................................................34参考文献.....................................................35附录.........................................................37武汉工程大学毕业设计(论文)说明书1第一章绪论1.1研究背景四旋翼飞行器与普通旋翼飞行器相比,具有结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大的升力等优点;而且四旋翼飞行器非常远在狭小的空间内执行任务。因此,四旋翼飞行器具有广阔的应用前景,吸引了众多的科研人员,成为国内外的研究热点。作为无人机中富有生命力的机型，四轴飞行器还具备无人机的多种优势。无人机是一种体型较小、无人驾驶，能够在空中实现自主飞行并执行一定任务的飞行器。无人机与普通飞机相比,其结构简单成本低，便于制造和维护；由于无人驾驶，因此其有效载荷更大，能够安装更多的设备或武器，完成任务的效率和可靠性更高；而且即使出现意外险情也不会危及到飞行员的生命安全，因此广泛应用于各种高风险的任务中。在军事领域，无人机早己投入到实战使用中[1]。无人机在战争中可以实施战场侦査、目标定位、单位跟踪、电子干扰甚至火力支援等任务。例如，美国在阿富汗战争和伊拉克战争期间就大量使用了“全球鹰”无人机，在取得巨大战果的同时也极大地减少了美军的伤亡。在今后的信息化战争中，无人机必将发挥着越来越重要的作用。在民用和科技领域，无人机也发挥着巨大的作用。例如，无人机可以在发生重大灾害后实施侦査、搜寻与救援工作；可以安装多种探测设备用于火灾、虫灾监测和地质勘探中；还可以携带多种科学设备进行科学实验。因此，世界各国都非常重视无人机的研制工作。按照结构的不同，无人机可以分为固定翼无人机和旋翼无人机两种，其中前者又可分为螺旋桨式固定翼无人机和喷气式固定翼无人机两种，后者又可分为单旋翼无人机和多旋翼无人机两种。两者的飞行原理也不同，固定翼无人机利用发动机产生的推力或者拉力使飞机高速前进，利用机翼产生维持飞行状态的升力；而旋翼无人机则利用一个或多个螺旋桨高速旋转产生升力，并利用升力在水平面上的分力实现前后、左右运动[2]。与固定翼无人机相比,旋翼无人机具有能够向后飞行、垂直起降和悬停的特点,对起飞、降落场地的条件要求很少,控制起来非常灵活,能够满足多种用途,因此旋翼无人机具有更大的研究价值。四旋翼飞行器与普通旋翼飞行器相比,具冇结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大的升力等优点;而且四旋翼飞行器非常远在狭小的空间内执行任务。因此,四旋翼飞行器具有广阔的应用前景,吸引了众多的科研人员,成为国内外新的武汉工程大学毕业设计(论文)说明书2研究热点[3]。飞行控制器是四旋翼飞行器最核心的部分，飞行器通过飞行控制器与外界交互并做出反应，使得飞行器能够在没有外界操纵和干预的情况下自主飞行。1.2四旋翼飞行器的研究现状四旋翼飞行器的发展经历了两个阶段。第一阶段是在20世纪初,1907年法国科学家CharlesRichet制造了一架小型的无人机,虽然不是很成功,但是他的学生LouisBrguest在其的指导下幵发了第一架载人四旋翼飞行器,其后来又研发出了的第二架原型机。两架原型机都是由飞行员直接控制四个螺旋桨转速,由于操控过于复杂,进行的飞行试验都不是很成功。在1921年,GeorgedeBothezat为美国陆军航空勤务部(UnitedStatesArmyAir)研发了一架实验性四旋翼飞行器,但是该项目仅仅进行了四年就由于机构过于复杂、控制困难而取消了。1924年出现了世界上第一架能够完成超过一千米距离飞行的四旋翼飞行器Oemidien。1957年,美国克莱斯勒汽车公司应美国陆军要求为其研发了VZ-7飞行器,促是由于控制过于复杂,美国陆军对这一项目渐渐失去了兴趣,使得这个项目也最终搁浅,至此四旋翼飞行器的发展陷入了低谷。图1-1LouisBruest的载人四旋翼飞行器第二阶段从21世纪初幵始至今。进入21世纪以来,低功耗微处理器的处理能力越来越强,微机电系统(MEMS)技术的发展使得捷联式惯性导航系统越来越小,成本越来越低。随着直流111机技术的发展,出现了许多