2 四旋翼无人机设计总体思路

确定无人机基本需求，主要包括无人机的功能、性能、成本、功耗、尺寸和重量等。确定这些之后，就可以针对这些需求进行硬件模块的选择以及软件的初步构思。
对无人机进行系统设计，把实际问题转变为工程问题，确定总体的系统结构，再分别确定硬件结构和软件结构并画出流程框架，其中的重点是软件硬件之间的划分，划分的结果将对开发进度有着较大的影响。
对无人机进行详细设计，设计和选择符合无人机系统的具体构件。既包括硬件模块比如cup6050，也包括软件模块比如一些可以直接调用的函数。在这一阶段，更多的是需要特定的设计，并尽可能使具体结构优化。
最后，进行系统的集成与测试，通过对无人机系统反复的测试，修正构件中的错误，最后把软件程序进行固化。
2.1 软件设计的思路
四旋翼无人机硬件的开发，解决了怎么飞行的问题，用什么器件控制的问题，以及如何检测当前无人机姿态的问题。飞行看起似乎近在咫尺，但实际上，每一个电机都有自己的特性，给它们相同的参数，也会不完全一致的转动。周围环境，比如微风等扰动，也会使其失去平衡，从而达到不可控。
为了解决这些问题，笔者在姿态控制上选择以PID算法进行控制，无人机相当于有了一个自动调节的大脑。但想要使用PID，就需要实际飞行姿态的参数，因此，程序还需要把MPU6050采集的数据进行处理，这就用到了四元数姿态解算，得到欧拉角。采集的数据由于传感器的客观原因也常常不够准确，这就需要了卡拉曼算法进行滤波。通过这3个算法的配合，基本可以对飞行姿态进行控制。同时，在程序编写上以模块的形式，方便检测更改程序的错误以及进行调试。

3 四旋翼无人机的结构与运动姿态

3.1 无人机的结构
一般而言，无人机的机体架构为Ｘ型或十字型，这取决于机头方向的定义，而它们的主要区别在于坐标系的位置是不一致的。对于Ｘ型无人机，它的机头方向为两个机翼的中间，十字型无人机则是以其中一个机翼为正方向。两种机体架构各有优劣，但总体而言，以Ｘ型为机架的无人机性能更好，主要是通过调查发现，选用X型作为机架的无人机常常表现的更为稳定且易于操作。因此，本次设计选用以X型为机身构造。
Ｘ型四旋翼无人机是一种由４个独立的电机驱动，以X型架构为机身的飞行器。它的具体结构如图3.1所示，4个电机共同为无人机提供向上的动力，并且每一个都是独立的，从结构上看，四个电机处于同一水平面并且每个电机到中心的距离是相等的。以顺时针转动的电机2、电机4称为正桨，以逆时针旋转的电机1、电机3称为反桨。由图可以看出4个旋翼可以分为２组，并以在同一对角线的为一组，而且同组电机的旋转方向是一致的，相邻的两个电机是反向的。在两个旋翼转速完全相同的情况下，两个旋翼产生的反扭力矩方向相反，大小相同，便可抵消力矩，从而达到达到平衡。

图3.1Ｘ型四旋翼无人机具体结构

4 飞行控制系统硬件设计

如图4.1所示四旋翼无人机的硬件电路由STM32最小系统、电源、传感器、LED、和接口六大部分组成。主控制器STM32F103C8T6负责解算传感器模块采集的信息，并利用采集的信息提供飞行任务指令，同时结合PID控制算法，PWM波信号输出使电机转速发生有规律的变化，从而实现飞行器的可控飞行。

图4.1四旋翼无人机的硬件电路

5 软件设计总体思路

软件使用 keil MDK 5.14 集成开发环境。飞行控制软件主要包括以下几个方面。 mpu6050传感器把初始数据传送给STM32 单片机，采用I2C通信方式；得到飞行器的实时姿态数据，并进行滤波；四元数姿态解算得到实际姿态； PID控制姿态，使无人机在无法达到理论值时依旧处于稳定状态； 通过占空比的改变，使PWM波信号控制电机。具体程序框图如图5.1所示

图5.1四旋翼无人机的软件程序设计框图

6 系统调试与飞行测试

虽然程序经过较为严格的论证，并对每段程序进行了检查，但实际环境常常是多变的，比如信号传输可能被干扰，空气流动造成的扰动等，操作手法也可能造成飞行的不稳定，所以制作出的实物，需要根据实际情况进行微调。
在进行飞行测试时，笔者通过与团队的讨论，选择在宽阔的室内试飞，主要考量在于室内墙壁可以反射信号，无人机不容易失控，其次是测试阶段，选择扰动量小的地方，发现问题便于分析，从而便于整体的修改。
测试的内容主要包括无人机的飞行移动和悬停。图为四旋翼无人机飞行时的图片。动态性能良好，在飞行的测试中，四旋翼无人机能够按照遥控控制的方向进行前进、倒退、向上、向下、左移、右移倾角误差在±4°以内，飞行的姿态较为平稳。控制命令发送后，四旋翼无人机的响应时间在2s左右，系统响应实时性较好。不足之处在于，降落时需要缓慢下降，否则电源瞬间切断，直接掉落下来可能造成一些危险。总的来说，测试的结果达到了预期的设计要求。

7 总结

这次的毕业设计，我回顾了许多在大学期间所学知识，有高数、线代、控制理论、嵌入式、单片机等课程。回顾期间，一方面感受到自己深深不足，一方面又因为自己学过而不至于寸步难行。在面对一些未曾学习过的知识的时候，按照老师所教授的自学技巧，比如书看皮，文献看目录来找自己真正需要的东西，又如对于原理解释，理解数学解释对后续学习起到了事半功倍的效果。整体而言，这次的毕业设计使我受益良多。现对本次毕业设计总结如下
现对本次毕业设计进行总结，本文从四旋翼无人机的发展入手，对无人机飞行原理，以及飞行姿态控制进行了简单的描述，之后又对整个硬件的模块进行简单的介绍。有了这两个铺垫，软件内容的出现不会显的突兀，读者也能快速简单的了解整个四旋翼无人机，进而对软件部分的大致思路有个对实际的把握。
本文对软件部分进行了详细的论述，主要是对卡尔曼滤波、四元数姿态解算、PID这三个算法进行了浅薄的理解和详细的论述，在参考大量程序后，进而写出对应的程序。整体而言，本文对算法的论述占较大的篇幅，并且以较为通俗易懂的话写了出来，相对应的可以给初次接触该领域的读者一点参考。

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