摘要:旋翼飞行器与固定翼等其它类型的无人机相比，可以轻松在悬停、定高等多种模式下飞行。稳定性强也是它的突出特点之一。另外，旋翼类飞行器负载能力较强、有很强的机动性。基于这些得天独厚的优势与特点，将机械手与之结合，实现抛物、拾取等功能，更是让飞行器如虎添翼，成为真正意义上的空中机器人。这是实现无人机功能拓展的一大突破性进步。在许多抢险、救灾等条件较差的环境下，急需这种便携、灵活的空中机器人工具来执行各种特殊、危险的任务。如火情侦查、给被困人员投递饮食物资等。本设计主要包括三大部分，即飞行平台、机械手、无线遥控器。其中，遥控器和飞行控制电路板的中央处理器都是采用基于32位ARM Corex-M3内核的微控制器STM32F767IGT6。无线通讯方案采用工作在2.4~2.5GHz频段的nRF24L01P+PA+LNA组合。飞行控制电路板搭载的惯性测量元件有：加速度计陀螺仪MPU6000、陀螺仪L3GD20、加速度磁强计LSM303D和高精度气压计MS5611。飞行器端微控制器对读取的数据进行滤波、融合与姿态解算得到姿态角数据，再结合来自遥控端的控制信号，通过串级PID控制器解算出PWM占空比脉冲，控制电子调速器和伺服电机，进而控制平台稳定和机械手动作。

关键词 空中机器人；机械手；惯性测量；微控制器

目录

摘要

Abstract

1 绪论-1

1.1 空中机器人的研究背景和意义-1

1.2 国内外研究现状-1

1.3课题主要研究内容-2

2 机器人的总体设计方案-3

2.1设计方案的选取-3

2.1.1 飞行平台方案的选择-3

2.1.2 飞行平台电机的选择-4

2.2 总体设计原理-4

2.3 总体设计方案-4

2.3.1 机械结构设计方案-4

2.3.2 系统硬件电路设计方案-5

2.3.3系统软件设计方案-6

3 机械结构设计-8

3.1飞行平台机械结构设计-8

3.1.1材料的选取-8

3.1.2机械原理及机构简图-8

3.1.3机构特点-8

3.2机械手结构设计-9

3.2.1材料的选取-9

3.2.2伺服电机的选择-9

3.2.3机构特点-9

3.3 机械结构设计的三维建模-10

4 电气硬件系统的设计-11

4.1 Altium Designer 2016简介-11

4.2电气部分设计-11

4.2.1主电源供电系统设计-11

4.2.2电路分线及降压电路板-12

4.2.3电子调速器选择-12

4.2.4三相异步无刷电机选择-13

4.3部分重要元件的选取-13

4.3.1微控制器STM32F767IGT6-13

4.3.2核心板片外拓展存储器芯片-14

4.3.3姿态传感器-14

4.3.4通讯元件-15

4.4电路原理图的设计-15

4.4.1. 稳压电源部分-15

4.4.2 微控制器部分-16

4.4.3 核心板拓展电路-18

4.5 PCB印刷电路的设计-21

4.5.1 PCB设计要求-22

4.5.2 PCB电路板设计的一般步骤-22

4.5.3 PCB割边外形设计-23

5 软件系统的设计-24

5.1 系统软件开发环境Keil MDK简介-24

5.2 程序设计流程图-24

5.3 软件调试与仿真-26

5.4 机器人端软件设计-26

5.4.1 姿态传感器数据读取-26

5.4.2 姿态解算IMU-26

5.4.3 PID平衡控制算法-27

结论-30

致谢-31

参考文献-32