摘要：四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器，具有成本低、重量轻、飞行稳定性好的优点，适用于近地监视、搬运、航拍等。传统灭火方式受地形影响大，影响消防员到达现场的速度或造成消防员撤离现场困难。而基于四轴飞行器的消防无人机不但完全克服了传统灭火的缺点，并具有救援速度快和低成本等优点。因而本设计的研究目标是设计一款投放灭火球的消防无人机。

本论文主要研究的是基于Arduino单片机的Mini型低成本四轴飞行器。飞行器通过蓝牙BC-04通信收到手机APP的遥控信号时，姿态传感器MPU6050会采集三轴加速度和角速度数据，并通过I2C协议传输到微处理器Atmega328p，再经过四元次数运算和互补滤波融合姿态角得到准确飞行的姿态，最后通过PID算法得到的PWM波控制电机的转速，完成飞行器的飞行控制。在室内无风环境中测试了四轴飞行器的飞行状况，结果表明本设计所研发的无人机能够较好的达到平稳飞行状态并实现各类飞行姿态，在指定地点投放灭火球。

关键词: 四旋翼无人机  Arduino单片机  蓝牙APP遥控  姿态控制算法

目录

摘要

Abstract

1 绪论-1

1.1 四轴飞行器研究的背景和意义-1

1.2 无人机研究现状-2

1.3 本课题研究主要内容-4

1.4 本章小结-4

2 系统总体方案-5

2.1 需求分析-5

2.2 方案论证-5

2.2.1 开发板的选择-5

2.2.2 机架的选择-6

2.2.3 姿态传感器的选择-8

2.3 总体设计方案-8

2.4 本章小结-9

3 四轴飞行器飞行原理-10

3.1 飞行方式-10

3.2 飞行姿态-10

3.3 飞行姿态检测原理-13

3.4 多传感器数据融合滤波算法原理-15

3.5 PID算法设计原理-16

3.5.1 PID算法-17

3.5.2 PID飞行控制原理-17

3.6 本章小结-17

4 系统硬件设计-18

4.1 硬件总体设计方案-18

4.2 单片机最小系统-18

4.3 电机驱动电路-19

4.4 姿态传感器电路-20

4.5 电源电路-21

4.6 通信模块电路-22

4.7 本章小结-22

5 系统软件设计-23

5.1 软件总体设计-23

5.2初始化程序设计-24

5.3蓝牙模块程序及安卓的APP软件设计-24

5.3.1蓝牙模块设计-24

5.3.2安卓的APP软件设计-25

5.4 电机驱动程序设计-26

5.5 飞行器姿态检测软件设计-27

5.5.1姿态传感器的I2C通信-27

5.5.2姿态检测模块-29

5.5.3互补滤波算法-31

5.6 运动控制模块设计-31

5.7 本章小结-33

6 系统调试-34

6.1 PID参数调试-34

6.2 驱动电路调试-35

6.3 传感器参数调试-36

6.4 飞行器测试结果-37

6.5 本章小结-39

7 总结与展望-40

7.1 总结-40

7.2 展望-40

参考文献-42

附录-44

附录一 元件清单-44

附录二 系统硬件原理图-45

附录三 程序-46

致谢-65