在高速发展的年代，各种各样的飞行器出现在人们的眼前，飞行再也不是人类的梦想。飞行器成为了能真实体验到的新型高效的运输交通与探测方式。而四旋翼飞行器以其独特的较高的稳定性，简单的操作方法以及较小的体积和质量得到了越来越多的关注。在近几年得到了飞快的发展，不管是军用作战方面还是民用航拍方面等等都得到了广泛的应用。本文以四旋翼飞行器的入门级学习为目标，实现四旋翼飞行器的软硬件设计，详细工作主要分为三部分1. 学习四旋翼飞行器的运动模型，了解飞行器姿态的欧拉角表示、四元数表示、角速度、欧拉角和四元数转换关系。2. 完成了四轴转子的硬件电路设计，完成各模块的驱动器设计。3. 采用互补滤波算法对传感器数据进行滤波求解四旋翼飞行器的姿态，采用PID控制算法对四旋翼飞行器的姿态进行控制。
目录
一、绪论 1
（一）研究背景与意义 1
（二）国内外研究现状 1
（三）研究内容和组织结构 3
二、四旋翼飞行器的理论 3
（一）欧拉角 3
（二）四元数 4
（三）欧拉角与四元数的转换 4
1四元数转换为欧拉角 4
2欧拉角转换为四元数 5
（四）四旋翼飞行器姿态控制 6
（五）本章小结 8
三、硬件电路设计 8
（一）总体电路 8
（二）STM32最小系统 9
（三）电源模块 10
（四）MPU6500模块 11
（五）电机驱动模块 11
（六） 串口通信模块 12
（七） 无线通信模块 12
（八） 本章小结 13
四、系统软件设计 13
（一）驱动程序 13
1 串口初始化 13
2 遥控器PWM信号捕获 13
3 电机PWM控制输出 14
4 MPU6500初始化及读写 15
（二）姿态解算算法 17
（三）PID控制算法 19
（四）调试结果  *51今日免费论文网|www.jxszl.com +Q: ￥351916072￥ 
21
（五）本章小结 22
五、总结与展望 22
（一） 总结 22
（二） 展望 23
参考文献 24
附录 25
谢辞 30
一、绪论
（一）研究背景与意义
飞行器的发展过程中，无人飞行器一直是火热的研究方向，相较于需要驾驶员的飞行器，无人飞行器能够大大减少人员损失，并且简化了结构使得体积也明显减小，优秀的自主控制系统使得无人机的工作效率并不低于载人飞行器。由于这些优点，无人驾驶飞机迅速发展，出现了固定翼型、直升机型、旋翼型等各种机型。
在MEMS技术成熟之前，受控制器件与传感器的限制，飞行器大多体积庞大，无人飞行器设计上存在着许多阻碍。但是随着MEMS技术的出现，主控芯片与传感器都完成了高度集成化，体积与重量都大大缩小，新型电机也比传统油动机更容易控制，这些都让飞行器的小型化成为了可能。新型控制算法让四旋翼无人飞行器的实现创造了可能性。无人机正处于飞速发展的阶段，大学作为新型技术的良好发展地，国外很多大学的研究所都早早开展了四旋翼无人飞行器的研究，国内四旋翼的研究较晚。但是四旋翼无人飞行器的发展也很快，很多大学生竞赛中都能看到相关飞行器的出现，国内一些公司也开展了四旋翼飞行器的研究。[1]
四旋翼作为旋翼型无人机的一种，在多个领域进行了广泛的应用。军用上包括军事侦察、边防监控与危险区域探测；在公共安全方面，可以用于观测复杂地形和观测灾后恢复重建工作。由于飞行器体积小，操作简单，对复杂地形适应性强，比其他类型的无人机(固定翼和直升机)更能适应复杂的情况。搭配其他传感器可用于专用观测如防范森林火灾、及时发现火源（搭配热成像仪）和电力系统巡检（搭配GPS、数码像机）等。现在有些快递公司还开展了无人机送货项目。由于四旋翼飞行器机械结构简单，有多种开源飞控和控制代码，只要学习一些基础理论，民间人士也能参与到四旋翼的开发中来。
四旋翼飞行器利用自身的一对正桨和一对反桨来平衡自身的反扭力矩，而传统直升机需要配备反扭力矩桨。但是四旋翼飞行器要使用四个独立输入来完成六个自由度的输出，使得系统对传感器和控制算法的要求比较高。完成高效的姿态控制系统需要融合多个学科的知识，具有很高的研究价值。
（二）国内外研究现状
现在常见的四旋翼飞行器都是小型四旋翼飞行器，而早期的四旋翼却都是大型的。第一架四旋翼式飞行器采用十字形的木制架构，使用的旋翼长度达8.1m。这架四旋翼的发明者为法国的Breguet兄弟，他们的这架四旋翼首次使用了正反旋翼结构来平衡扭矩。虽然这架四旋翼因缺乏控制结构与稳定而没能成功上天，但是却因为其结构而成为四旋翼飞行器的原始设计理念。
在MEMS技术成熟之前，还有多个四旋翼飞行器出现，但都由于复杂的结构，以及当时的控制系统和导航系统无法解决的问题，这些设计都没有成功或者取得实际应用。随后出现的一些设计有1922年美国空军制作的重达1680kg的大型四旋翼飞行器，由于重量和动力的原因这项企划被放弃了。还有在1920年法国工程师制作的四旋翼飞行器，他使用了十分复杂的结构，而且初次的设计需要额外的升力和稳定性控制装置，但是四年后他的飞行器成功实现了飞行，但是这个飞行器仍然没有得到实际的应用。
四旋翼飞行器需要优秀的控制系统和导航系统，而当时的科技水平并不能很好的实现这些要求。发动机难以控制转速也很大程度限制了控制系统实现，所以在很长一段时间内四旋翼飞行器没能获得任何发展。
在MEMS技术成熟后，传感器技术得以迅速发展，以MEMS技术实现的传感器在体积、重量上都大幅度缩小了，而传感器的小型化也使得飞行器的体积大幅缩小。新型电机和控制芯片也使得控制系统的实现更为容易，这也进一步缩小了四旋翼飞行器的体积和重量。由此四旋翼飞行器的发展大大加快了。
各高校实验室作为四旋翼发展的先驱，在四旋翼飞行器领域率先取得了多个成果：宾夕法尼亚大学GRASP实验室做出了目前最具突破性的四旋翼项目，该项目使用了独特的姿态测量系统，他们使用了两个摄像头，其中一个摄像头安装在飞行器上，另一个安装在飞行器外。飞行器上的摄像头透过观察飞行器上特定的标记点的相对位置，飞行器外的摄像头观测飞行器的相对位置，融合两个摄像头的数据给出完整的姿态和位置的信息，并且获得了很高的测量精度。该实验室的四旋翼飞行器项目目前可以完成自主的室内飞行。

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