。期望的欧拉角角度控制角速度控制电机四旋翼飞行器姿态图串级控制图首先需要求出四旋翼飞行器姿态误差信号也就是期望值的姿态角与当前获取到的姿态角的差值，然后通过串级控制算法求得各个电机的调整量，将调整信号传递给四个旋转电机，改变电机的转速来控制整个系统的姿态，使其姿态误差始终趋于最小，形成双级闭环回路控制系统。四旋翼无人机设计与制作结论通过本次毕业设计我从中学到了很多实际应用的知识，掌握了四旋翼飞行器的原理，也学到了很多算法，能够真正把理论结合到实践当中去，获益良多在这中间也遇到了许许多多的问题，在老师和学长的帮助下都个个的解决了，这个过程也是真正学习和进步的过程。四旋翼飞行器因其结构简单控制方便，不用考虑复杂的流体力学等结构而非常受欢迎。本次设计主要做了如下的工作了解了四旋翼飞行器的国内外的研究现状详细介绍了四旋翼飞行器的飞行原理动作原理和姿态控制原理等完成了姿态测量系统的选型工作并且基于这些传感器设计了电路原理图并且做出了电路板，搭建了硬件平台，对飞行器的机架电机电子调速器螺旋桨电源等硬件结构系统进行了配型和搭建通过阅读大量的文献资料完成了对四旋翼飞行器姿态算法的研究工作，从坐标系的建立和坐标变换到四元数姿态矩阵的推导都有详细的说明，针对加速度数据陀螺仪数据和地磁数据的特点分别给出了合适的滤波算法，在数据融合方面对地磁数据进行姿态解算得出航向角，然后对四元数得到的航向角进行校正使用串级控制算法定程度上使得控制效果更好，对定高控制系统进行了简要的介绍说明，完成了对四旋翼飞行器的参数调试和整定工作。虽然在飞行器试飞过程中，能够很好地实现飞行功能，但是仍有些不足之处需要改善，主要有以下几个方面因为电机和机架的震动较大，加速度计对姿态的干扰无法消除，当遥控器没有给出遥控指令的时候，飞行器会往边偏移。陀螺仪累积误差导致姿态的误差会越来越大。四旋翼飞行器的稳定飞行对四个电机和电子调速器性能的致性要求较高。需要上位机实时返回四旋翼飞行器的飞行参数，然而我们还没有作这方面的工作。四旋翼无人机设计与制作参考文献杜浩基于的多旋翼自主飞行系统研制南京信息工程大学,郎哲彦基于模态切换的无人直升机双回路鲁棒控制器的研究天津大学,马远超四旋翼飞行器导航及控制技术研究哈尔滨工程大学,姜洋四旋翼垂直起降机的鲁棒控制问题研究哈尔滨工业大学,李尧,四旋翼飞行器控制系统设计大连理工大学,宋英麟,鲜斌,茹滨超,曹美会无人机微型姿态航向系统数据处理中南大学学报滕守明,鲁奕,李响基于芯片及总线在汽车上的应用无线互联科技黄鹏宇,曾路荣,杨川,彭远行,余成波种新型灾难救援四轴航拍飞行器设计四川兵工学报王曙霞,梁洪洁,王小营,刘伟基于虚拟仪器的机载陀螺仪测试系统研究电子设计工程郑健基于轴传感器的姿态参考系统研究与实现电子科技大学,刘杰四轴飞行器研究与设计南京邮电大学吴冬冬基于陀螺仪姿态检测系统研制浙江理工大学冯旭光四旋翼无人机自主控制系统设计内蒙古科技大学高勇瓦型铁氧体磁场检测装置及先进制备工艺研发辽宁工业大学台述鹏,赵文斐以为核心的嵌入式体感遥控器设计单片机与嵌入式系统应用基于子带能量和特征检测技术的语音信号端点检测方法中国科学院自动化研究所董景新微机械加速度计北京清华大学出版社,于东前束动态检测系统研究与开发长安大学黄晓英,傅士冀,陈俊,曹作群去极值平均滤波技术在智能微欧电阻校准仪中的应用电测与仪表于敬芬低温推进剂液位检测系统软件设计与实现武汉理工大学胡恩伟基于多传感器数据融合的惯性组合导航系统算法设计与实现重庆大学王建文无人直升机状态估计算法研究国防科学技术大学刘刚基于视觉导航小型无人机自主着陆控制策略研究与应用南京航空航天大学唐懋基于兼容的单片机的四旋翼飞行器设计厦门大学,姜成平种四旋翼无人机控制系统的设计与实现研究哈尔滨工业大学郭晓鸿微型四旋翼无人机控制系统设计与实其中和是调整参数，在实际调试中确定。其中可以等于，可以以为初始值，步进调节。四元数姿态更新方程。四元数微分方程为其中，将上式写成矩阵形式四旋翼无人机设计与制作对四元数阶微分方程进行阶毕卡算法可得对四元数进行规范化处理，于是得下式以上得到的新的四元数代表完成了次四元数的运算，将此四元数回到开头，将旧的四元数更新为新四元数，作为下次四元数运算的初始数，再从开始下次的四元数运算。与此同时将新的四元数更新规范化后转化成三个欧拉角得下式，完成了姿态的初步运算四旋翼无人机设计与制作校准载体航向角通过三轴数字电子罗盘可以校准陀螺仪积分获得的航偏角以消除累计误差。如果电子设备干扰强烈的情况下需要暂停数字罗盘的数据融合，因为这样测到的数据误差非常的大。对地磁传感器常用的校准方法之是平面校准法使用数字罗盘前，对其进行初始化，然后进行磁场校准，将传感器水平放置并旋转周得到新的圆周圆心位置,。这是对水平的平面的校准，校准前后对比如图所示。图平面校准前后对比同理需要对竖直平面进行校准，校准前后的对比图，如图所示。图平面校准前后对比当载体静止时，设地球磁场强度在载体坐标系系各个轴的分量为，在导航坐标系系各轴的分量，根据可得四旋翼无人机设计与制作将式求得的代入上式，即可求出和。航向角可由式得出四旋翼无人机设计与制作四旋翼飞行器系统软件设计系统程序设计姿态参考系统软件设计姿态参考系统的软件部分主要是对传感器数据和三轴数字电子罗盘传感器的数据进行处理和数据融合，图给出了姿态参考系统的软件流程图。开始系统初始化初始化传感器初始化接口初始化数字电子罗盘配置地磁传感器参数读取传感器是否正确配置传感器参数读取陀螺仪数据读取加速度数据卡尔曼滤波低通滤波平均滤波四元数姿态结算读取地磁传感器数据去极值滤波姿态结算互补滤波输出姿态角结束图姿态参考系统程序流程图四旋翼无人机设计与制作通过软件流程图可以清楚地看到，系统首先完成内部初始化的工作，即配置使用到的外设，包括时钟系统中断控制器串口通信接口定时器然后进行硬件初始化以及系统的姿态解算，采用模块化的设计，具体包括以下个部分初始化硬件惯性测量单元的数据采集模块多传感器数据融合的姿态解算模块姿态信息输出模块。首先开启定时器中断，在的计时中断实现通过接口读取传感器和三轴数字电子罗盘的测量数据，根据传感器的特点进行滤波后，再利用初始校正所得到的校正数据对读取的数据作校正，校正完后转换成实际的物理量，再对其做加权平均减小误差，然后进行四元数姿态解算和地磁数据校准，最后进行数据融合输出姿态角信息。控制算法设计根据四旋翼飞行器的工作原理知，因为其结构对称，所以改变电机的转速差能够实现对飞行器的姿态控制，而飞行器的位置控制要靠电机的总升力和飞行器姿态改变的。所以，将飞行控制系统分为位置控制系统和姿态控制系统分别进行控制设计。由于飞行器姿态会直接影响到飞行器的位置，认为飞行器姿态控制器为内环控制器，位置控制器为外环控制器。这种数字式控制有位置式控制算法和增量式控制算法两种形式，这里采用的是增量式算法，其表达式为其中，为比例系数，为积分系数，微分系数。是第次采样时刻计算的输出值，是第次采样时刻控制器输入的偏差。，四旋翼飞行器的姿态可分为俯仰角横滚角和偏航角，针对每个自由度都是个二阶系统。对每个姿态角都进行控制，这样就可以将复杂的非线性多变量输入多变量输出控制问题化简为两变量输入单变量输出的问题。如式所示。四旋翼无人机设计与制作这里代表的是控制四个电机所需要的值，表示的是飞行器停留在空中需要的值，可以由遥控器输入或者自动高度修正，分别表示的是俯仰角偏差横滚角偏差和航向角偏差及其变化率所需的值，把限制在定的范围之内。采用串级控制算法，内回路是角速度控制回路，外回路是角度控制回路。三个角度的控制规律是致的，以俯仰角的控制为例，如图所示，其中为控制飞行器的期望俯仰角，和分别表示飞行器俯仰角角度和俯仰角角速度。是外环的输出值，是内环控制器的输出值，且国务院立足长远，谋划未来，率领全国人民绘制 的中国普及和实施免费义务教育的路线图和全景图。 九年贯制学校建设现状 根据国家省市文件精神，机制改革率先在西部实施，首先在西部农村实行了义务教 育免除学杂费。年春季学期开始，这政策在全国农村地区全面 推开，全国农村全部免除义务教育阶段学杂费，实现免费上学，惠及 亿农村学生。年秋季学期 条件最艰苦攻坚难度最大的西部农村突破，后逐步向农村延伸，再 向全国城乡全面辐射的渐进式推进的三次飞跃发展，实现了免费义务 教育发展的新的“三级跳”。年春季学期开始，国家农村义务教 育经费保障求教 育公平，并逐步走向免费义务教育的新阶段，实现了义务教育由全面 普及向免费发展的新的更大跨越。以此为契机，在国家强力推进下， 中国城乡义务教育免费三年迈出了三大步，实现了最初由经济欠发达 益成为新的历史时 期我国社会生活和教育领域备受关注的热点问题，教育均衡发展日益 成为关系国家战略的重大问题。以年国务院关于深化农村义务教 育经费保障机制改革为突破口，我国义务教育迈向均衡发展追比世界平均水平高年，新增劳动力平均受教育年限达到 年，总人口中大学以上文化程度的超过万人，位居世界第二， 初中以上文化程度的劳动力在世界上遥遥领先。 在教育进入新的大发展阶段之后，教育公平日益比世界平均水平高年，新增劳动力平均受教育年限达到 年，总人口中大学以上文化程度的超过万人，位居世界第二， 初中以上文化程度的劳动力在世界上遥遥领先。 在教育进入新的大发展阶段之后，教育公平日益成为新的历史时 期我国社会生活和教育领域备受关注的热点问题，教育均衡发展日益 成为关系国家战略的重大问题。以年国务院关于深化农村义务教 育经费保障机制改革为突破口，我国义务教育迈向均衡发展追求教 育公平，并逐步走向免费义务教育的新阶段，实现了义务教育由全面 普及向免费发展的新的更大跨越。以此为契机，在国家强力推进下， 中国城乡义务教育免费三年迈出了三大步，实现了最初由经济欠发达 条件最艰苦攻坚难度最大的西部农村突破，后逐步

（图纸） 零件图.dwg

（图纸） 模具CAD.dwg

（其他） 三角垫片设计说明书.doc