四轴飞行器电机控制模块设计密级：NANCHANG UNIVERSITY学士学位论文THESIS OF BACHELOR（2011—2015年）题目四轴飞行器电机控制模块设计学院：信息工程学院系自动化系专业班级：测控技术与仪器111班学生姓名：吕晴学号：5801211011 指导教师：张宇职称：讲师起讫日期：2015-3-5 ~ 2015-6-2南昌大学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
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（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：导师签名：日期：摘要四轴飞行器电机控制模块设计专业: 测控技术与仪器学号: 58012110011 学生姓名：吕晴指导老师：张宇摘要本课题是针对四轴飞行器在已经获得传感器测得的精确数据的情况下，设计合理的电路和算法，实现四轴飞行器稳定飞行和各种姿态变换。
本课题的主要内容是对四轴飞行器的电机控制模块进行软硬件设计。
四轴飞行器是智能机器人的一种，它是由四个旋翼旋转产生升力，通过协调各旋翼的转速来实现飞行器的姿态控制。
与传统的无人机相比，四轴飞行器具有很强的机动灵活性和载荷能力，特别适合在理想稳态或者准稳态的飞行条件下进行全方位垂直起降，在军事和民用领域均拥有广阔的发展前景[2]。
本论文对四轴飞行器的电机控制模块进行了调研，并设计出了相关的硬件电路板以及软件控制算法。
具体内容如下：首先建立四轴飞行器的动力学模型，四轴飞行器的动力学建模分为力学建模和运动学建模两个部分，总体思想是将四轴飞行器看作一个刚体，选定当前的姿态角和目标姿态为输入量，在理想的条件下，推导出控制四轴飞行器所需的四个电机的控制量作为输出量的方程，即建立四轴飞行器受力与姿态之间的关系。
其次对四轴飞行器电机控制模块进行合理的硬件设计，硬件部分分为了电源模块、主控模块、电机驱动模块、检测模块、无线通讯模块五个模块。
其中选择了STM32系列单片机作为主控模块的微处理器，选择了三相无刷直流电机作为动力源，无刷电调对其进行调速。
再次设计合理的控制算法，本课题采用了经典PID算法，临界比例度法对PID参数进行了初步整定，再在试验中对参数进行微调。
最后针对四轴飞行器电机控制模块设计了合理的软件流程。
关键词：四轴飞行器；动力学模型；电机；PID控制算法AbstractThe design of motor control module for quad rotorAbstractThis subject is in the condition of the quad rotor having got accurate date from sensors, to design rational circuit and arithmetic. To realize the quad rotor flying stabilize and changing all sort of attitude. The main content of this topic is hardware and software design for quad rotor control system.Quad-rotor is one kind of micro air vehicle and a typical integration of machinery product. It produced lift by four rotor ,through coordinate the speed of each rotor to control the attitude of quad rotor. Compared with the tradition unmanned aerial vehicles, quad rotor has strong maneuverability and load capability. It suit for all-round vertical take-off and landing under the condition of quasi-steady state. It has widely development prospect in the file of military and civilian.In this paper, the motor to the Quad-rotor control module was investigated. I manufactured the hardware circuit board and software control algorithm. The main work of this paper are as follows:The first established dynamics model for quad rotor, it divided into two parts of mechanics modeling and kinematics modeling. The general idea is treat the Quad-rotor as a rigid body, select the current Euler angles and the target Euler angle as input, under ideal conditions, so as to get the equation to control Quad-rotor.The second design rational hardware. Hardware system is including the part for power supply, main control module, motor driver module and wireless communication module. I choose STM32series single chip microcomputer as the main control module microprocessor, three-phase brushless dc motor as the power source and brushless electric adjust speed.The third design ration control algorithm. The subject adopts the classical PID algorithm, using proportion degree method to rectify the PID.The last design rational software process.Keywords: Quad rotor；dynamics mode；electric motor；PID algorithm目录摘要 (4)Abstract (5)第一章绪论 (1)1.1课题的研究背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (3)1.3四轴飞行器发展趋势 (4)1.4本课题研究的主要内容及本论文的结构安排 (5)第二章四轴飞行器动力学模型设计 (6)2.1四轴飞行器的力学建模 (6)2.1.1 ........................ 电机建模 62.1.2 ........................ 旋翼建模 82.1.3 ...................... 机体结构建模 82.2四轴飞行器的运动学模型 (10)第三章四轴飞行器电机选型及其工作原理 (16)3.1四轴飞行器电机选型 (16)3.2三相直流无刷电机的基本结构 (16)3.3三相直流无刷电机的工作原理 (17)第四章四轴飞行器控制算法设计 (21)4.1......................... PID控制原理214.2四轴飞行器的PID调节原理 (23)4.3四轴飞行器PID参数整定 (23)第五章四轴飞行器电机控制模块软硬件设计 (25)5.1四轴飞行器原理介绍 (25)5.2硬件设计部分 (26)5.2.1 ................... 电源模块电路的设计 275.2.2 ..................... 主控制模块电路 285.2.3 ...................... 驱动模块电路 305.2.4 .................... 无线通讯模块电路 305.2.5 ...................... 检测模块电路 325.3四轴飞行器电机模块软件设计 (34)第六章总结与展望 (36)6.1论文总结 (36)6.2展望 (36)第一章绪论1.1课题的研究背景及意义四轴飞行器属于智能机器人，是多旋翼飞行器的一种[1]。
在动力来源上，直接由旋翼产生升力，而不是由机翼产生升力；在姿态控制上，四轴飞行器是通过协调各旋翼转速而实现飞行器的姿态控制[2]，而不是通过改变机翼或旋翼的空气动力学结构。
四轴飞行器采用电子飞行控制系统，彻底丢弃了传统飞行器复杂的机械控制部件，简化了飞行器的结构，减轻了飞行器的重量，降低了制造成本和装配难度，有利于实现飞行器的微小型化[3]。
与传统飞行器相比四轴飞行器具有下列优点：1)体积小，垂直起降，可以在深井，管道等狭小空间中运作；2)可以配置不同的高端电子产品，与多种外设相连接，使其具有多种功能；3)可以代替人在恶劣的环境下工作，避免高危环境下工作导致的人员伤亡；4)结构简单，不会产生复杂的机械构造问题，易于安装拆卸，便于携带，且没有复杂的空气动力学问题。
四轴飞行器的上述优点，使它具有广泛的应用前景。
可以广泛应用在森林防火、地质勘探、交通监视、灾害搜救、航拍成图等民用领域和侦察监视、通信中继、电子干扰、武器攻击等军事领域等；在军事应用前景方面，由于四轴飞行器的体积小，在执行任务时容易隐蔽，具有非常强的防御侦查能力，能够在操控者的遥控下在复杂环境地形中进行近距离，小范围的战场敌情侦查。