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天津理工大学 自动化系专业设计报告 题目：四旋翼飞机飞行控制系统软件设计 班 级 自动化11-卓1 指 导 教 师 郭健 梁雪慧 设 计 成 员 杨松和 自动化学院 2014年 11 月 17 日 一．专业设计意义 作为无人机中富有生命力的机型，四轴飞行器还具备无人机的多种优势。无人机是一种体型较小、无人驾驶，能够在空中实现自主飞行并执行一定任务的飞行器。无人机与普通飞机相比,其结构简单成本低，便于制造和维护；由于无人驾驶，因此其有效载荷更大，能够安装更多的设备或武器，完成任务的效率和可靠性更高；而且即使出现意外险情也不会危及到飞行员的生命安全，因此广泛应用于各种高风险的任务中。在军事领域，无人机早己投入到实战使用中。无人机在战争中可以实施战场侦査、目标定位、单位跟踪、电子干扰甚至火力支援等任务。例如，美国在阿富汗战争和伊拉克战争期间就大量使用了“全球鹰”无人机，在取得巨大战果的同时也极大地减少了美军的伤亡。在今后的信息化战争中，无人机必将发挥着越来越重要的作用。在民用和科技领域，无人机也发挥着巨大的作用。例如，无人机可以在发生重大灾害后实施侦査、搜寻与救援工作；可以安装多种探测设备用于火灾、虫灾监测和地质勘探中；还可以携带多种科学设备进行科学实验。因此，世界各国都非常重视无人机的研制工作。 按照结构的不同，无人机可以分为固定翼无人机和旋翼无人机两种，其中前者又可分为螺旋桨式固定翼无人机和喷气式固定翼无人机两种，后者又可分为单旋翼无人机和多旋翼无人机两种。两者的飞行原理也不同，固定翼无人机利用发动机产生的推力或者拉力使飞机高速前进，利用机翼产生维持飞行状态的升力；而旋翼无人机则利用一个或多个螺旋桨高速旋转产生升力，并利用升力在水平面上的分力实现前后、左右运动。与固定翼无人机相比，旋翼无人机具有能够向后飞行、垂直起降和悬停的特点,对起飞、降落场地的条件要求很少,控制起来非常灵活，能够满足多种用途，因此旋翼无人机具有更大的研究价值。四旋翼飞行器与普通旋翼飞行器相比,具冇结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大的升力等优点；而且四旋翼飞行器非常远在狭小的空间内执行任务。因此,四旋翼飞行器具有广阔的应用前景,吸引了众多的科研人员,成为国内外新的研究热点。 二．专业设计任务书 设计内容： 1.了解四旋翼飞机飞行控制系统设计的意义与目的； 2.分析飞行器飞行姿态的控制原理及方法； 3.设计飞行控制和电机调速方案。 4.基于Keil编写控制程序。 5.与硬件部分结合基于Proteus进行仿真。 6.调试并完善系统。 开发工具: Proteus仿真软件、Keil编程软件 指导教师： 日 期： 三、专业设计进度计划及检查情况记录表 序号 日期 计划完成内容 实际完成内容 1 10.13-10.19 查找资料了解设计意义和目的 2 10.20-10.26 分析飞行器姿态控制原理及方法 3 10.27-11.02 设计飞行典型姿态控制方案 4 11.03-11.09 绘制系统控制流程图 5 11.10-11.16 编写控制程序并调试系统 6 11.17-11.23 撰写报告，进行答辩 四、成绩评定与评语 ? 指导教师： 日 期： 平时、出勤、动手（50%） 专业设计报告（30%） 答辩（20%） 专业设计成绩 题目：四旋翼飞行器姿态控制软件系统设计 总体设计方案 系统主要由stm32控制模块、姿态采集模块、电源模块、电机驱动模块等四部分组成，采用X字型飞行模式，下面分别论证这几个模块的选择。 1.1、控制系统选择方案 方案一： 主控板使用pcduino。其内存大而且板子体积较小，重量较轻，对四旋翼的载重量要求较低。但是它对电源的要求较高，而且I/O口较少，我们刚开始学习使用，不是很熟悉，对于四旋翼的需要不够。 方案二： 主控板使用stm32。stm32板子的I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。Stm32迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高。 综上所述，我们选择了方案二。 1.2、飞行姿态控制方案论证 方案一： 十字飞行方式。四轴的四个电机以十字的方式排列，x轴和y轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整，角度融合简单，适合初学者，能明确头尾，飞行时机体动作精准，飞控起来也容易。 方案二： X行飞行方式。四轴的四个电机以X字的方式排列，灵活性和可调性较高，调整的时候应该相邻两个融合调节，融合复杂。X型飞行方式非常自由灵活，旋转方式多样，可以花样飞行，也可以做出很多高难度动作，但是控制上相对比较困难。 综合以上两种方案为了灵