论文总字数：16961字

目 录

1绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.1.1无人机研究背景及意义 1

1.1.2无人机飞行控制系统研究背景及意义 2

1.2国内外研究现状及发展趋势 3

1.2.1无人机研究现状及发展趋势 3

1.2.2无人机飞行控制系统研究现状及发展趋势 3

1.3本文研究内容 4

2 硬件系统总体概述 4

2.1飞行系统任务需求分析 4

2.2硬件系统论述 5

3硬件系统模块设计 7

3.1微控制器系统选择 7

3.2电源模块设计 9

3.3 传感器模块设计 10

3.3.1陀螺仪与加速度计模块 11

3.3.2 GPS模块 13

3.3.3 气压计模块 13

3.3.4磁力计模块 14

4.硬件系统实验验证及分析 15

5.总结 22

参考文献 23

致 谢 24

多旋翼无人机一体式飞行控制系统设计

许芳

，China

Abstract: Multi-rotor UAV integrated flight control system design is an important part of scientific research in the field of UAVs. The main content of this paper is to design a multi-rotor UAV flight control hardware system with multiple performance indexes such as height, attitude and altitude, which includes microprocessor module design, IMU sensor module design, and power module design. The design of the module. The design of the module was completed. PCB board layout design was performed for the two main parts of the flight control integrated hardware system and the IMU sensor. Finally, it was verified and analyzed.

Key words: Multi-rotor drone ；flight control；Hardware System Design；PCB board design

1绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1无人机研究背景及意义

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，缩写为 UAV），是无人飞行器的一种简称，是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶动力机械装置，或者通过车载计算机完全地或间歇地自主地操作。其中的系统是指若干个模块通过相互作用和相互依赖，结合成的具有某种特定功能的有机整体。在控制方面，它包括微控制器模块、数据通信模块、输入输出模块、电源模块等，由这些模块组成了无人机飞行控制整个系统^[1]。它在20世纪20年代最早出现，因当时技术条件的限制，发展缓慢，所以在当时，主要将其作为训练的靶机来使用，在二战中将无人靶机用于训练防空炮手。二战之后将多余或者是退役的飞机改装成为特殊的器型用于研究或者是用作靶机，无人机的研究已经引起了海外一些研究机构的广泛关注，从此开启近代无人机使用趋势的先^[2]。随着机械、电子和通信技术的发展，无人机在研究与发展中也取得了实质性的突破。逐渐，无人机在军事侦查、农业运用等诸多方面也开始真正展露它的应用弹性与重要性。直到上个世纪90年代，无人机科学研究开始飞速发展，并被广泛运用到军用和民用领域之中。

而多旋翼无人飞行器，是一种具有三个及三个以上旋翼轴的特殊的无人驾驶旋翼飞行器的统称。现今，无人机主要被分为两大类：固定翼式无人机和多旋翼式无人机，固定翼式无人机飞行器的理论及技术均已经趋向于成熟与稳定，而多旋翼式无人机飞行器因其本身所具备灵活性强、结构简单、性能良好等的优点，被广泛运用到军事侦查、农业应用、业务派送、电力巡检等诸多领域，越来越多的领域开始使用无人机去替代人工进行作业。一般结构的多旋翼无人机，随着其旋翼数量的增加，旋翼所能够带载的能力越强。一般结构的多旋翼无人机包括四旋翼、六旋翼、八旋翼等多旋翼无人机。它具备垂直起降、定点悬停、倒飞等自主飞行特征。而要实现这一切的功能，全都离不开控制无人机动作的控制系统，因而研究无人机控制系统也就成为了国内外科研人员研究无人机的热门领域 ^[2]。六旋翼无人机和八旋翼无人机如图1.1所示。

六旋翼无人机

八旋翼无人机

图1.1六旋翼无人机和八旋翼无人机

1.1.2无人机飞行控制系统研究背景及意义

对于无人机飞行控制系统，它主要指的是飞行控制系统在无人干预的情况下，利用信息处理和在线环境感知双重条件下，对优化的飞行控制的策略加以自主生成，并且有效地促进战术部署和战略任务的完成。无人机飞行控制系统相当于是无人机的“大脑”，主要负责无人机在飞行任务的过程中对无人飞行器的导航、控制、通信等无人机的核心任务。它最早将无人机飞行控制系统划分为遥控驾驶、实时路况诊断、适应故障和飞行诊断、多机战术重规划等10个等级，它是根据无人机的自主飞行控制技术能力划分的，最早是在《无人机线路图2000-2025》中被美国国防部所提出。无人机飞行控制系统的研究其中融合了微处理器和传感器等微电子技术、通信及自主控制技术以及计算机学科等大量交叉学科。当前，微型无人机、小型无人机的飞行控制系统普遍具有体积相对较大、不具有一定的安全系数、操作相对复杂等缺点，随着微控制器、传感器、自主控制技术等发展，无人机飞行控制系统将向具有小型化、稳定性高、性能良好等特点的无人机飞行控制系统发展。现今，无人机飞行控制硬件系统的研究是无人机飞行控制系统研究的前沿技术。因此，研究出一款兼具高性能、高稳定性等优点的飞行控制硬件系统，是无人飞行器现今以及以后研究的关键^[4]。

1.2国内外研究现状及发展趋势

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