1、 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪论 1 1.1 前言 . 1 1.2 本课题研究意义 . 1 1.3 国内外研究成果 . 2 1.4 本课题主要研究内容 . 2 1.4.1 研究主要内容 2 1.4.2 研究方案 3 1.5 系统设计框图 . 3 第 2 章 四轴飞行器硬件组成 5 2.1 DIY 四轴飞行器介绍 5 2.1.1 四轴飞行器 5 2.1.2 DIY 操作 5 2.2 部分器件的作用介绍 . 6 2.2.1 无刷直流电机 6 2.2.2 电子调速器 6 第 3 章 姿态传感器介绍 7 3.1 三轴加速度计 . 7 3.1.1 传感器原理 7 3.1.2
2、 ADXL345 . 8 3.2 三轴陀螺仪 . 9 3.2.1 概述 9 3.2.2 传感器原理 . 10 3.2.3 ITG-3200 . 11 3.3 三轴磁场传感器 11 3.3.1 传感器原理 . 11 3.4 本章小结 11 第 4 章 飞行器模型分析 . 13 4.1 概述 13 4.1.1 飞行器飞行原理 . 13 4.1.2 四轴飞行器模型建立办法 . 14 4.2 力或力矩与螺旋桨的关系 14 4.2.1 升力和扭矩关系 . 15 4.2.2 阻力和侧向力矩的关系 . 15 4.2.3 LQDT CCCC、的建立 16 第 5 章 算法设计 . 19 5.1 悬停控制算法设
3、计 19 5.1.1 悬停算法分析 . 19 5.1.2 PID 算法选择分析 . 21 2 5.1.3 PID 三个参数的大小对于响应波形的影响 . 21 5.1.4 模糊控制规则的建立 . 21 5.1.5 模糊控制表的建立 . 22 5.1.6 小结 . 22 5.2 运动算法设计 22 5.2.1 运动时和悬停时的差别 . 23 5.2.2 Z 轴旋转解决办法设计 . 23 5.2.3 固定倾斜解决办法 . 24 5.2.4 控制算法小结 . 24 5.3 九轴数据的融合算法 24 5.3.1 关于数据融合必要性的分析 . 25 5.3.2 加速度计与陀螺仪的数据融合 . 25 第 6
4、 章 程序设计 . 27 6.1 程序设计思想 27 6.1.1 程序方案 . 27 6.2 串口接收数据并重装 27 6.2.1 概述 . 27 6.2.2 程序设计 . 28 6.3 PID 算法程序 . 28 6.4 电调 PWM 信号 29 总结 30 论文小结 31 致 谢 32 参考文献 33 附录一： 34 附录二： 41 2015 届电气工程与自动化专业毕业设计（论文） I 摘 要 今年来航模界的目光已经从固定轴飞行器转移到了多旋翼飞行器的设计上。多旋 翼飞行器和喷气式飞机几乎在同一时间诞生，但在过去的百年中极少有目光投向它的 原因就是因为它的控制、操作非常复杂，因为其方向的偏
5、转等操作都依靠不同电机不 同转速配合形成，高度的非线性和其系统极差的鲁棒性注定了在它诞生之初就无人问 津。 直到高精度的三轴加速度计和陀螺仪的出现，以及继而为之引入的卡尔曼滤波原 理让多旋翼的姿态实时监测成为可能，有了姿态精确监测又配合采用各种控制算法以 及高效能的微处理器，多旋翼的控制才成为了可能。又由于它本身兼有可以灵活应对 各种复杂飞行环境的特点（其它飞行器只能望其项背），迅速成为飞行器的焦点。 本文主要介绍利用 MSP430G2553 单片机的 LaunchPad 和由 AVR 为主控芯片的 9 轴 姿态结算传感器搭建的四旋翼的飞控设计。从其模型建立、传感器数据处理、算法设 计和软件实
6、现四个方面的研究制作可定目标的四轴飞行器。 关键词：MSP430，卡尔曼滤波，姿态结算，控制算法 可定方向的四轴飞行器设计 II ABSTRACT This year the attention has shifted from the model aircraft industry to a fixed shaft multi-rotor aircraft design. Multi-rotor aircraft and jets born almost at the same time, But in the past few hundred years has its sights reason is because of its control, Operation is very complex, Because of its direction of deflection and other operations depend on the formation of different motors with different speed, Highly nonli
