摘要:旋翼飛行器與固定翼等其它類型的無人機相比，可以輕松在懸停、定高等多種模式下飛行。穩定性強也是它的突出特點之一。另外，旋翼類飛行器負載能力較強、有很強的機動性。基于這些得天獨厚的優勢與特點，將機械手與之結合，實現拋物、拾取等功能，更是讓飛行器如虎添翼，成為真正意義上的空中機器人。這是實現無人機功能拓展的一大突破性進步。在許多搶險、救災等條件較差的環境下，急需這種便攜、靈活的空中機器人工具來執行各種特殊、危險的任務。如火情偵查、給被困人員投遞飲食物資等。本設計主要包括三大部分，即飛行平臺、機械手、無線遙控器。其中，遙控器和飛行控制電路板的中央處理器都是采用基于32位ARM Corex-M3內核的微控制器STM32F767IGT6。無線通訊方案采用工作在2.4~2.5GHz頻段的nRF24L01P+PA+LNA組合。飛行控制電路板搭載的慣性測量元件有：加速度計陀螺儀MPU6000、陀螺儀L3GD20、加速度磁強計LSM303D和高精度氣壓計MS5611。飛行器端微控制器對讀取的數據進行濾波、融合與姿態解算得到姿態角數據，再結合來自遙控端的控制信號，通過串級PID控制器解算出PWM占空比脈沖，控制電子調速器和伺服電機，進而控制平臺穩定和機械手動作。

關鍵詞 空中機器人；機械手；慣性測量；微控制器

目錄

摘要

Abstract

1 緒論-1

1.1 空中機器人的研究背景和意義-1

1.2 國內外研究現狀-1

1.3課題主要研究內容-2

2 機器人的總體設計方案-3

2.1設計方案的選取-3

2.1.1 飛行平臺方案的選擇-3

2.1.2 飛行平臺電機的選擇-4

2.2 總體設計原理-4

2.3 總體設計方案-4

2.3.1 機械結構設計方案-4

2.3.2 系統硬件電路設計方案-5

2.3.3系統軟件設計方案-6

3 機械結構設計-8

3.1飛行平臺機械結構設計-8

3.1.1材料的選取-8

3.1.2機械原理及機構簡圖-8

3.1.3機構特點-8

3.2機械手結構設計-9

3.2.1材料的選取-9

3.2.2伺服電機的選擇-9

3.2.3機構特點-9

3.3 機械結構設計的三維建模-10

4 電氣硬件系統的設計-11

4.1 Altium Designer 2016簡介-11

4.2電氣部分設計-11

4.2.1主電源供電系統設計-11

4.2.2電路分線及降壓電路板-12

4.2.3電子調速器選擇-12

4.2.4三相異步無刷電機選擇-13

4.3部分重要元件的選取-13

4.3.1微控制器STM32F767IGT6-13

4.3.2核心板片外拓展存儲器芯片-14

4.3.3姿態傳感器-14

4.3.4通訊元件-15

4.4電路原理圖的設計-15

4.4.1. 穩壓電源部分-15

4.4.2 微控制器部分-16

4.4.3 核心板拓展電路-18

4.5 PCB印刷電路的設計-21

4.5.1 PCB設計要求-22

4.5.2 PCB電路板設計的一般步驟-22

4.5.3 PCB割邊外形設計-23

5 軟件系統的設計-24

5.1 系統軟件開發環境Keil MDK簡介-24

5.2 程序設計流程圖-24

5.3 軟件調試與仿真-26

5.4 機器人端軟件設計-26

5.4.1 姿態傳感器數據讀取-26

5.4.2 姿態解算IMU-26

5.4.3 PID平衡控制算法-27

結論-30

致謝-31

參考文獻-32