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定点投送无人机设计 I
摘要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 课题背景及目的 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 课题研究方法 4
2 四轴飞行器控制原理 5
2.1 四轴飞行器结构 5
2.2 四轴飞行器控制原理 6
2.3 PID控制器的简介 8
3 方案设计 10
3.1 基本原理 10
3.2 系统架构设计 11
3.2.1 硬件架构设计 11
3.2.2 软件架构设计 11
3.3 系统关键技术实现 11
3.3.1 WiFi通信技术实现 12
3.3.2定高技术实现 12
4 硬件设计 12
4.1 主控电路设计 12
4.1.1 单片机最小系统 12
4.1.2 电源 13
4.1.3电机驱动 14
4.1.4 LED驱动电路 15
4.2 遥控电路设计 16
4.2.1主控MCU 16
4.2.2电源 17
4.2.3 EEPROM电路设计 17
4.2.4 蜂鸣器电路设计 18
4.2.5 遥杆电路设计 18
5 软件设计 19
5.1 定高控制 19
5.2 光流定点控制 20
5.3 高度控制算法 20
5.4 位置控制算法 20
6 总结与展望 21
6.1 总结 21
6.2 展望 22
参考文献 22

1 绪论
1.1 课题背景及目的
近年来，无人机行业发展迅猛，无人机凭借着可大范围观察地面区域、灵活、效率高等优势，在多个领域中具有极大的应用前景。通过搭载各种任务设备，无人机可以在各种场景中执行复杂的观测和操作任务，比如城市航拍、巡检、森林防火、物流运输、农业植保等[1]。目前，无人机的操作还主要以人类遥控操作为主，随着人工智能技术的快速发展，自主操作的智能无人机得到了迅速的发展。
本课题研究的主要目的是设计并实现可以定点投送的智能无人机，无人机可将吊装的负载准确投送至指定地点，定点投送无人机可以快速响应紧急情况，无需在人为操纵情况下使用。随着无人机技术在民用与军事领域日益普及，无人机定点投送作为其应用的一大创新点，呈现出广阔的发展前景。尤其在商业物流输送、应急救援、农业监测等领域，无人机定点投送技术展现出无以伦比的优势。然而，无人机在面对复杂地形和多变气候的情况下，其投送精度依然存在显著的提升空间[2]。部分无人机采用的是传统导航系统，充满安全隐患且不具备处理复杂传送任务的能力，而先进的系统往往造价高昂且操作复杂，限制了其在民用领域的广泛应用。若能研发一套成本合理、操作便捷且高精度的无人机定点投送系统，必将促进相关技术在广泛领域的应用，实现社会效益与经济效益的双赢。对于投送精度的提升，不仅关系到投放成功率[3]，更直接影响到整个无人机定点投送体系的可靠性与效率。因此，对无人机投送过程中的气象因素、动力系统响应、控制策略挑战等进行研究，是一个值得深入探讨的课题。针对这一问题，本研究从无人机的动力学建模[4]、飞行控制策略到投送精度优化等方面，开展综合性研究，以期为无人机定点投送领域提供创新性解决方案。同时，对于无人机在执行多次投送任务时的电池续航能力亦进行优化设计，确保无人机性能的完整与稳定。该研究将为无人机在多变天气环境下执行精确投送任务提供切实可行的解决策略和技术支持，对提升无人机系统实用性与安全性具有重要意义。参考文献表明，现有研究多关注无人机投送技术的局部性改进，而对于复杂环境下全面优化控制策略及提升投送精确度方面的系统性研究尚不充分，本研究旨在填补这一研究空白，对无人机系统的飞行稳定性、投送有效性进行全方位提升，优化无人机定点投送操作流程，为无人机定点投送技术的发展注入新动力，为后续相关领域的研究提供参考与借鉴[5]。
1.2 国内外研究现状
国内研究现状显示无人机应用领域不断扩展，在物流配送、救援支援、军事侦察等多个行业展现出巨大潜力，特别是定点投送技术的研究开辟了便捷、快速适应复杂环境的新途径[6]。近年来，无人机定点投送技术在国内研究界受到了广泛关注，诸多研究团队针对其精准度和可靠性等方面进行了深入探究。无人机动力学模型的构建及优化，飞行控制策略，目标跟踪与投送精度优化是当前无人机投送领域研究的几大重点问题。国内外许多学者与研究机构释出了大量研究成果，不仅提高了无人机的作业效率和精度，也为相关技术的进一步发展奠定了基础。尽管国内外已有研究存在，但针对无人机投送过程中的自主导航、风速风向变化适应能力、动力学特性等关键技术的研究还有待深入。对于动力学模型建立而言，模拟无人机在不同飞行状态下的物理特性与环境的互动，识别与分析影响无人机投送精度的主要因素[7]，对提高无人机投送性能至关重要，在物流行业，国内京东、顺丰、菜鸟等物流巨头对“最后一公里”无人机配送方案进行测试与定点投送应用，这样能够快速、低成本地将货物送达消费者手中，尤其是在交通不便或人烟稀少的地区表现出更加显著的优势[8]。
相关文献表明，考虑气象因素与无人机飞行特性的综合模型能极大提高定点投送精度，而模型的构建和实时更新对提高精度尤为关键[9]。飞行控制策略方面，当前研究多聚焦于如何实现在复杂环境下对飞行姿态和速度的动态调节，以此来抵御气象变化和环境扰动，增强无人机的适应性与稳定性。具体而言，国内在飞行控制算法设计方面的创新实践较为匮乏，目标跟踪与投送精度优化方面的研究成果也未在实际中得到广泛应用。因此，有必要深化相关研究，完善飞行控制策略，并探索有效的目标跟踪与精度优化方法[10]。而国外研究无人机定点投送技术现状受到全球关注，国外学者不断在无人机导航、控制系统、与投送精度上取得创新。美国对无人机定点投送有着深入的研究，特别是在其军事应用方面，相关技术层出不穷。近些年，欧洲也表现出极大的兴趣，开展了一系列基于无人机的配送服务研究，重点关注于其在城市复杂环境下的应用潜力。日本学者关注无人机在应急救援中的运用，所示出在快速响应和高精度投放方面的优势。澳大利亚和加拿大的研究则着重于提高无人机的航程与载重能力，以及在偏远地区的物流配送服务[11]。
国外的研究主要集中在提高无人机的自主飞行能力，包括精准的飞行控制和有效的目标跟踪技术，意在通过无人机高效率地进行物品配送与服务。此外，针对无人机的通信技术也是重要的研究方向[12]，相关研究致力于保证无人机在复杂环境下的信号稳定性，并实现与其他无人机和控制中心的有效通信。研究表明，采用多运营商多样性的通信方式可以提高无人机在复杂环境下的信号可靠性，这对于确保无人机在执行投送任务时的通信稳定至关重要。还有部分学者致力于研究无人机在交通拥队和地形复杂环境中的适应性，通过改进算法来优化无人机路径，降低风险并提升配送效率。对于无人机的续航能力，也有研究通过优化电池和飞行路径设计，来延长无人机的作业时间和减少能源消耗。国外的无人机定点投送技术正朝着智能化、高效化、精准化方向发展，其研究成果对推动无人机投送系统的实际应用具有非常积极的作用[13]。
目前市场上的四轴飞行器大致可以被划分为三大类：微型、小型以及遥控航模四轴飞行器。这些研究主要聚焦于四轴飞行器的构造、飞行控制算法和能源动力等关键领域[14]。近年来随着技术发展，一些新设计理念开始出现并被应用于四轴飞行器上。美国Draganflyer公司研发的DraganflyerIII被视为遥控航模四轴飞行器的经典例子。它的机身长度（从翼尖到翼尖）为76.2cm，高度为18cm，重量为481.1g，旋翼直径为28cm，有效载荷达到113.2g，并能持续飞行16-20min。为了增强其姿态稳定性，它采用了三个压电晶体陀螺仪，并选用了碳纤维和高性能塑料作为主要材料。这是一款在航拍领域广受赞誉的遥控航模四轴飞行器[1]。由于这种类型的无人飞机具有体积小[15]、重量轻等优点，因此得到广泛地应用，目前已经有多个国家投入大量人力财力来研发此类新型飞行器。在全球范围内，微型和小型四轴飞行器的研究中，宾夕法尼亚大学的HMX4、瑞士洛桑联邦科技学院（EPFL）的OS4以及佐治亚理工大学的GTMARS都是代表性的。GTMARS是佐治亚理工大学为火星探测任务专门设计的CAD无人机系统。该系统的重量为20kg，旋翼的半径为0.92m，续航时间为30min，巡航速度可以达到72km/h。经过折叠封装的GTMARS在与四面体着陆器一同登陆火星后，能够自动展开其结构，实现自主起飞和降落。
除此之外，它还可以返回到着陆器以补充能量[16]。值得一提的是，该飞行器的飞行控制子系统和动力子系统的设计方案在第17届美国直升机协会（AHS）学生设计竞赛中荣获第一名。四轴飞行器作为一种新概念武器，近年来得到越来越多国家的重视并投入大量人力与物力开展相关技术研究。在全球范围内，四轴飞行器已经受到了广泛而深入的研究关注。尽管我国在这方面的研究起步相对较晚，但其发展速度非常快，其中DJI的四轴飞行器尤为显著。2013年1月，DJI发布了名为Phantom的设备，其最大尺寸为39cm，高度为16cm，并能持续飞行大约15分钟。其遥控范围可以达到300 m。得益于其卓越的抗风性能和内置的GPS导航功能，该设备能够在户外的广泛区域内飞行。此外，它还配备了GoPro运动相机，为人们提供了一个从天空向下拍摄的视角。该机型不仅是一款全新概念的飞机，也成为全球首个真正意义上具备自主研发能力并可量产的四轴飞控系统的产品[17]。在最近的几年中，DJI的四轴飞行器技术持续创新，使其在无人机领域获得了全球的领先地位。四轴飞行器不仅能够执行常规任务，而且可以完成诸如侦察监视、通信中继以及空中拦截等多项复杂作战任务。尽管我国在无人机技术方面已经取得了显著的成就，但在四轴飞行器的相关技术领域，仍然存在诸多不足之处，包括传感器姿态估计的积分漂移误差、在外部环境干扰下的机体振动，以及传统PID控制算法的不足之处等。这些问题都严重地阻碍着四轴飞控飞控系统性能的进一步提高。因此，在目前的四轴飞行器研究中，提升飞控算法的准确性和飞行过程的稳定性依然是核心关注点。
1.3 课题研究方法
系统包括广泛，软件设计，硬件设计等多有涉及。硬件部分的仿真以及元器件的选择耗费精力，因此耗费大量时间去阅读文献，翻阅资料后才敲定大部分元器件和课题大致方向，而软件部分中用于完成飞控部分而采用的PID控制算法，线性卡尔曼六轴传感器数据滤波，四元数姿态解算在现实中已经十分成熟，大部分已经公式化，降低了部分课题的难度，而作为一个课题，其功能不易过于复杂，所以精简方案又是首先要做的事情，在可行范围内完成任务要求，选择之前学习的keil MDK开发环境，keil MDK针对ARM Cortex-M系列微控制器的开发，提供了更多的功能和库，如实时操作系统、多核处理器和PowerDebugging等。这些功能和库可以帮助用户更快地开发出高效、稳定的嵌入式应用程序。
2 四轴飞行器控制原理
2.1 四轴飞行器结构
四轴飞行器一般采用中心对称的设计结构[18]，其中两个刚性的机臂交叉，机臂上装有电调装置，机臂的末端则装有电机和螺旋桨，这四个螺旋桨都位于同一水平面上，而机架的中心则安置了飞行控制元件。其运动形式是通过驱动机构实现转动或直线运动，以满足不同任务需求。尽管其结构呈现出对称性，但机头和机尾的方向仍然存在[19]，常见的模式包括“﹢”和“X”，如图 2.1所示的那样。

图 2.1 四轴飞行器基本结构
在本研究中，选择了“X”模式作为研究和设计的基础。从图 2.1（b）可以观察到，螺旋桨上的红色箭头代表其旋转方向，而相邻的两个螺旋桨的旋转方向则是相反的。选择了1号和3号桨进行逆时针旋转，而2号和4号桨则是顺时针旋转[20]。这种独特的设计能够中和飞行过程中产生的扭矩，消除飞行器的陀螺效应。与传统的单旋翼飞行器，特别是直升机相比，没有尾桨的四轴飞行器具有更高的能源效率。

图 2.2 飞行器结构
2.2 四轴飞行器控制原理
这款四轴飞行器的机械构造包括4个螺旋桨，并且有4个电机作为其直接的动力来源，这些电机的旋转速度是可以单独调节的。在此基础上设计出一种基于四旋翼无人机平台的姿态控制系统。飞行器可以通过调节电机的旋转速度来改变螺旋桨产生的升力，从而实现对垂直、俯仰、横滚和偏航这四种飞行姿态的精确控制。
1） 垂直控制
从图 2.3（a）可以看出，垂直控制涵盖了飞行器的上升、下降和悬停过程。在理想的条件下，当F1、F2、F3和F4的合力与飞行器自身受到的重力相等，并且四个螺旋桨的转速也相同时，飞行器将处于悬停状态；当对4个螺旋桨的转速进行等量的增加或减少时，这些螺旋桨的升力变化量Δf也会相应地发生变化。这种变化会导致合力大于或小于飞行器所承受的重力，进而实现飞行器的上升和下降。
2） 俯仰控制
俯仰控制目标是通过调整四轴飞行器的俯仰角来实现飞行器的前进或后退飞行。以向后飞行为例，如图 2.3（（b）所示，通过增加1号和2号螺旋桨的转速，可以增加其升力，同时相应地减少3号和4号螺旋桨的转速，从而降低升力。这样，在升力差的影响下，飞行器会向后飞行。当Δf1+Δf2=Δf3+Δf4时，可以控制飞行器进行向后平飞运动。
3） 横滚控制
横滚控制的目标是通过调整四轴飞行器的横滚角度来实现飞行器的向左或向右飞行。以向左飞行为例，如图2-2（c）所示，通过适当增加1号和4号螺旋桨的转速，可以增加其升力，同时降低2号和3号螺旋桨的转速，从而减少升力。这样，在升力差的影响下，飞行器会向左飞行。当Δf1+Δf4=Δf2+Δf3时，可以控制飞行器进行左平飞运动。
4） 偏航控制
偏航控制的核心目标是确保飞行器的航向角能够按照预期进行调整。以顺时针偏航为例，如图 2.3（d）所示。由于本研究选择了1号和3号螺旋桨进行逆时针旋转，而2号和4号螺旋桨则选择顺时针旋转以减少反扭矩的影响，因此，需要通过增加1号和3号螺旋桨的转速来增加其反扭矩，并相应地降低2号和4号螺旋桨的转速，从而减少其反扭矩。这样，在反扭矩差的影响下，飞行器将会顺时针旋转。值得注意的是，飞行器的旋转方向与增加转速的螺旋桨的旋转方向是相反的。

图 2.3 四轴飞行器控制示意图
2.3 PID控制器的简介
由于四轴飞行器是一个具有六个自由度的机器人，它主要负责控制四轴飞行器的三种姿态：俯仰、横滚和偏航，以及一个方向的升降运动。这三种姿态运动和升降运动是相互耦合的，其控制模型是非线性的。在飞行过程中，它会受到风力、震动和空气动力学等多种因素的影响，因此无法建立一个准确的数学模型来使用相应的控制算法来控制四轴飞行器。

传统的四轴式飞行器只能实现水平或垂直两个平面内的直线飞行。因此，这款四轴飞行器是通过PID控制算法来实现飞行控制的。本论文研究了四旋翼无人飞行器的基本结构以及工作原理。PID（比例（proportion）、积分（integral）、导数（derivative）控制器作为最初被广泛应用的控制器，已经有将近一个世纪的历史，并且至今依然是工业控制器中应用最为广泛的一种。它以其良好的鲁棒性能、较强的自适应性、对被控对象参数变化不敏感以及结构简单易于实现等特点得到广泛应用。由于PID控制器设计简洁、易于理解，并且在使用过程中无需依赖精确的系统模型或其他前置条件，它因此成为了应用范围最广的控制器之一。

图 2.4 PID流程图
在早期，PID控制主要是通过硬件来实现的，利用传感器来捕获被控对象的输出数据，并将这些数据转换为电流或电压信号。然后，将这些信号与预期输入的电流或电压信号进行差值计算，并通过运放电路来实现PID的比例积分微分效果，从而有效地控制被控对象。这种方式由于没有考虑到被控对象中存在着大量非线性因素和时变特性而使得控制系统不能获得良好的性能。尽管早期的硬件PID在响应速度上表现出色，但其PID参数的调整非常困难。每次调整PID参数都需要重新配置硬件电路，并且信号间的传输容易受到外部环境的影响，导致噪声产生，从而影响控制目标的效果。所以，需要一种能够快速、准确地调整控制目标的方法。
随着电子科技的不断进步，数字式PID技术的应用范围逐渐扩大。数字式PID的工作原理是，在固定的时间间隔内对目标对象进行采样，然后与预定的变量进行PID计算，以确定最终的控制量。它利用数字信号处理芯片将采集到的模拟信号转换为数字信号后输入到控制器中，从而实现闭环控制功能。与传统的硬件PID相比，数字式PID在调整PID参数时更为便捷，并且其控制信号能够直接输出给目标对象，不会受到任何干扰，从而确保了PID的控制性能。下面是数字式PID的具体公式描述:

在这其中，KP代表比例增益。适当的比例增益系数可以迅速地显示出误差，并有助于减少这些误差。如果比例增益太小，控制器的反应可能会变得缓慢，而过大则可能引发系统的震动；TI代表积分系数，而积分调节的主要功能是持续累积以减少系统的静态误差。因此，只要有充足的时间，积分控制可以完全消除这些误差。但是，如果积分作用过于强烈，可能会导致系统的超调增加，甚至可能引发系统的振荡现；TD代表微分系数，通过微分控制，可以有效地减少超调，避免振荡，从而增强系统的稳定性。此外，微分控制还能提高系统的动态响应速度，缩短调整所需的时间，进一步优化系统的动态表现；u（t）代表控制量，即控制器的输出值；e（t）代表受控变量与预定值之间的偏离程度。

3 方案设计
3.1 基本原理
系统需要以STM32为核心，采用PID控制算法，线性卡尔曼六轴传感器数据滤波，四元数姿态解算来完成飞控模块。PID算法简单，快速，有效。卡尔曼滤波算法运用于飞控数据滤波，对高斯白噪声有很好的滤除作用，同时不引入系统滞后。最后四元数解算是因为它是目前最快速，最准确的姿态解算。研究中还将探究机载WIFI传输技术，对无人机飞行轨迹进行实时修正，从而提升投送物品到达预定地点的准确性。为了综合各方面因素，实现在不同环境下无人机的最佳投送表现，研究还包括一个全面的评价体系，用于分析和优选无人机的飞行路径，以最小化环境因素对投送任务的影响。通过系列研究活动，期望建立一系列实用的定点投送解决策略，并进行多次实验。

图3.1 主控函数流程图
3.2 系统架构设计
3.2.1 硬件架构设计
硬件架构设计涉及系统的物理组成部分，分为飞机主体部分和手柄控制部分。飞机主体包括：STM32作为主控，NRF24L01作为无线通信传输模块，采用VL53L01作为定高模块，四个LED灯作为模式切换指示灯，四块电机驱动，实现四旋翼无人机的悬停和计起飞降落。手柄控制包括：STM32作为主控，采用NRF24L01作为无线通信传输模块，油门回中遥杆和油门不回中遥杆，按键等。
3.2.2 软件架构设计
软件架构设计涉及系统的软件组成部分，包括：飞控程序，卡尔曼滤波函数，四元数姿态解算，PID控制，使用keil MDK作为开发环境。手柄方面则设计了定点投送功能和一键切换后的手操飞行功能，通过按键一键起飞后定高，四个按键有四条设定路径进行定点投送
3.3 系统关键技术实现
3.3.1 WiFi通信技术实现
为了实现数据的高速传输，系统应采用WiFi标准的通信模块NRF24L01 ,通过该模块将手柄的指令传输至无人机端。
3.3.2定高技术实现
采用VL53L01和光流模块，如果没有定高功能，那么飞行高度由遥控油门控制。油门控制对于新手比较难操控。如果需要飞行器实现解放油门，自动控制飞行高度，则需要做定高控制，而定高控制需要一个高度采集的传感器。激光容易受阳光的影响，尤其是和激光光源相近的纳米波长光源。定高功能适用于明亮的室内环境，或无阳光的阴天室外。

4 硬件设计
4.1 主控电路设计
4.1.1 单片机最小系统

图4.1 单片机最小系统
I2C接口上的SCL和SDA以及主控上的SCL和SDA，尽管它们之间没有直接的连接，但它们的网络标识是一致的，意味着它们之间是互相连接的。
4.1.2 电源

图4.2 电源
小四轴供电电压:3.7V 标准 1S 锂电池
升压:BL8530~5V升压ICBL8530升压IC依赖47uH电感作为其储能来源，并在其内部整合了与BOOST升压电路相似的设计，其中肖特基二极管扮演了续流的角色。
稳压:662K3.3V稳压IC。
电源部分解析原理解析
鉴于四轴飞行时电量持续减少，当电量降至某一水平时，可能会突然低于3.3V，这会导致稳压设备无法正常操作，从而造成输出中断，因此需要增加电压。