机械5

目录 1绪论1 1.1课题的研究背景及意义1 1.2国内和国外研究的现状1 1.2.1国外研究的现状1 1.2.2国内研究的现状4 1.3本所研究的主要内容4 1.4的组织结构4 2系统总体方案的设计5 3四旋翼飞行器机械系统的设计6 3.1四旋翼飞行器的运动机理6 3.2机体结构的设计7 3.2.1机体主要零件的设计7 3.2.2螺旋桨的选型9 3.2.3电动机的计算与选型9 3.3四旋翼飞行器的三维建模10 3.3.1软件的相关介绍10 3.3.2四旋翼飞行器零件的建模10 4四旋翼飞行器导航系统的设计13 4.1导航系统的选择13 4.2捷联式惯导系统原理方案的设计14 4.3四旋翼飞行器惯导系统的数学建模14 4.3.1坐标系定义14 4.3.2四旋翼飞行器的姿态表示15 4.3.3四旋翼飞行器的加速度计解算模型16 4.3.4四旋翼飞行器的陀螺仪解算模型18 4.3.5系统误差模型21 4.4误差模型的标定和处理23 4.4.1陀螺仪误差的处理24 4.4.2加速度计误差的处理25 4.5姿态融合25 4.5.1姿态融合算法的选择26 4.5.2自适应显式互补滤波算法的设计26 4.6捷联惯导算法的设计30 4.6.1姿态更新算法的选择30 4.6.2姿态更新的四元数算法的设计30 5四旋翼飞行器电控系统的设计33 5.1电控系统总体结构的设计34 5.2电控系统硬件模块的设计与实现34 5.2.1微控制器模块34 5.2.2姿态测量模块37 5.2.3电调模块的选型39 5.2.5电池的选型42 5.2.4无线遥控模块43 5.3控制系统的动态设计——PID控制器的设计与实现45 5.3.1 PID控制器原理及C语言实现程序46 5.3.2 PID控制算法的选择48 5.3.3数字控制器-PID的设计48 5.3.4 PID控制器参数整定49 6四旋翼飞行器软件系统的设计50 6.1开发开具和开发环境50 6.2程序的总体结构的设计50 6.2.1程序流程图50 6.2.2程序文件夹的组成50 6.3主函数的设计与实现51 6.4中断服务程序的设计与实现52 6.5 BSP文件夹53 6.5.1bsp_NVIC.c文件53 6.5.2 bsp_I2C1.c文件53 6.5.3 bsp_TIM2_OutPwm.c文件55 6.5.4 bsp_TIM3_i
nterupt.c文件56 6.5.5 bsp_TIM4_I
nPwm.c 56 6.5.6 bsp_mpu6050.c文件58 6.6 APP文件夹59 6.6.1 app_mpu6050_data_process.c文件夹59 6.6.2 app_IMU.c文件60 6.6.3 app_Co
ntrol_PID.c文件62 6.7 BSP程序中的主要函数的编写过程63 6.7.1 PWM输入测量63 6.7.2输出PWM 64 6.7.3 I2C通信65 6.7.4 mpu6050初始化设置67 7四旋翼飞行器样机的制作72 7.1四旋翼飞行器机械零件的加工制作72 7.2四旋翼飞行器电控硬件模块的焊接制作72 7.3四旋翼飞行器的总体实物74 参考文献75 题目：四旋翼飞行器的设计和控制 摘要 四旋翼飞行器具备VTOL(Vertical Take-Off a
nd La
ndi
ng，垂直起降)飞行器的所有优点，又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点，具有广阔的应用前景。可应用于军事上的地面战场侦察和监视，获取不易获取的情报。能够执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。工业上可以用在安全巡检，煤矿井下等人工不容易到达空间进行安全任务检查与搜救工作，能够对执行区域进行航拍和成图等。因此，四轴飞行器的研究意义重大。 本文主要对四旋翼飞行器的机械系统、姿态测量系统、电控系统、软件系统进行了讨论和设计。在机械系统部分，首先对四旋翼飞行器的运动机理进行了分析，然后进行了机体机构的设计和建模；在姿态测量系统，主要先对测量系统的姿态解算及误差进行了建模，然后根据建立的数学模型，对姿态测量系统进行了具体的设计及算法的实现；在电控系统部分，主要先对硬件电路进行了设计与选型，然后对数字PID控制器进行了设计；在软件部分，实现了包括硬件驱动程序及相关算法实现的一整套程序的编写。 最后，实现了机体的制作和姿态测量系统的组装及调试。 关键字：四旋翼飞行器；姿态测量系统；姿态融合；误差模型；飞控程序；