【机情无限 精彩毕设】机械2025届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第三十四期——基于PIX开发板的四轴无人机的设计

学生姓名：屈率帅

班      级：交控2021-01班

指导教师：曾祥光

毕设题目：基于PIX开发板的四轴无人机的设计

一、概况

随着科技的飞速发展，无人机技术已经从最初的军事领域应用逐步扩展到民用领域，尤其是在农业、物流、航拍、环境监测、安防等多个行业的应用取得了显著进展。四轴无人机（也叫四旋翼无人机）由于其结构简单、成本低廉、飞行稳定性较强且操作灵活，成为了众多无人机产品中的主流选择。

PIX开发板（如Pixhawk飞行控制器）是一种功能强大、开源可编程的飞行控制平台，广泛应用于现代无人机的设计与开发。得益于其强大的计算能力、开放的硬件架构和丰富的软件支持，PIX开发板为无人机设计提供了更高的自由度和灵活性，使得无人机开发者能够在硬件和软件上进行个性化定制，以实现更精确、更高效的控制和飞行。

当前，无人机技术的快速发展面临的主要挑战包括：飞行控制系统的智能化、飞行稳定性的优化、传感器集成与算法开发的复杂性等。因此，如何通过高效、可靠的飞行控制平台来提高四轴无人机的整体性能，成为无人机研发中的一个关键问题。

在此背景下，基于PIX开发板的四轴无人机设计，旨在提供一个高效、稳定、可扩展的飞行平台，为各类应用提供技术支持，同时推动无人机技术的进一步发展。

二.任务分解

1.确定四轴无人机的整体构成；

2.可行性参数以及结构设计；

3.元器件的选型；

4.硬件电路设计；

5.软件设计；

6.调试与试飞。

三、已完成工作

1.PCB电路板设计与制作：
   在前期硬件设计阶段，基于项目对飞控系统的电气连接需求，设计了适用于开发板平台的定制PCB板。使用EDA进行电路图设计与布线，充分考虑了各模块的布局合理性、电源供电稳定性、信号传输路径优化以及抗干扰能力。在完成PCB设计后，将其送厂打样，并完成了全部板件的元器件焊接和初步硬件连线工作。

图3-1 部分原理图设计

图3-2 PCB硬件电路设计

2.焊接与初步硬件调试：
   对设计好的PCB板进行了实际焊接操作，包括元器件贴装、电源模块焊接、接口排针的连接等。在焊接过程中，重点保证了核心元器件（如MPU6050、气压计等）焊点的牢固与信号完整性，并对部分出现虚焊、假焊等问题的连接进行了排查与返修。目前，主要模块已成功上电并能够正常识别信号，硬件整体运行情况良好。

图3-3 硬件焊接与调试

3.飞行控制系统部分编程：
   在飞行控制软件方面，已完成了部分飞控主程序的编写，包括飞控主循环框架搭建、传感器数据读取接口实现、PWM输出通道初始化等核心内容。在姿态控制算法方面，初步完成了基于PID（比例-积分-微分）控制算法的基础飞行姿态控制逻辑编程。PID算法用于调节无人机的姿态稳定性，当前主要实现了对俯仰与横滚两个方向的角度控制，算法尚处于初步测试与参数调试阶段。

图3-4 部分PID软件参数

4.系统模块集成测试准备：

   完成了部分子模块之间的接口验证，包括飞控系统、姿态传感器（MPU6050）等模块的通讯测试。硬件电路在电压稳定性和信号连通性方面已经具备集成基础，正在准备后续的软件调试与整体系统联调。

四、下一步工作计划

1.电机与电池关键参数测试与数据采集：
   为确保飞行系统的性能达标，计划对电机的推力输出、转速响应曲线以及工作电流等进行实验测试。同时，对所选电池的放电倍率、实际电压曲线与负载能力进行详细测试记录，结合不同负载工况评估飞行时长与功率冗余。这些实验数据将为后续系统优化与电源管理逻辑提供可靠依据。

2.实验数据的验证与参数校正：
   将采集的实验数据与理论设计参数进行比对分析，采用误差评估与回归计算等方法对模型进行修正和调参。特别是在PID控制器参数设置、电调响应延迟补偿、陀螺仪漂移处理等方面，依据实际反馈优化算法性能，增强系统稳定性与响应速度。

3.飞控系统C语言编程的持续开发：
   将在已完成的PID姿态控制算法基础上，进一步完善飞行控制程序，补充高度控制、定点悬停、姿态自动校正等功能模块。

4.无人机初步飞行测试的准备：
   在硬件与软件开发达到可联调程度后，将安排进行室内悬停测试与低空试飞验证。通过试飞收集传感器数据与飞行姿态参数，分析飞行稳定性，进一步调整飞控参数并完善控制逻辑。

5.飞行日志与调试记录系统的搭建：
   为便于后续的调试与数据分析，将设计简易的飞行日志系统，对飞行时间、电机功率、PID输出、等信息进行记录和可视化展示，提升系统调试效率。

问题一：在无线收发模块的选择上，为什么选择了NRF24L01模块，而不是其他如蓝牙模块或者其他模块？

回答：实际上，无线收发模块除了蓝牙和NRF24L01以外，还有如WIFI、Zigbee、Lora等无线收发模块，选择NRF24L01的原因主要是因为该模块式点对点通信。同时为了保证飞行的稳定性，该点对点通信可以有效的防止干扰现象， 从而保证飞行过程中不出现失衡的现象。而其他如蓝牙模块就容易收到干扰。

问题二：在你设计的硬件电路部分，为什么要先升压再降压？

回答：在锂电池供电时，由于无人机的空心杯电机所需的电流较大，因此电池放电十分迅速，这时电源的电压就很容易波动，导致供电不稳的情况。因此我用MT3608芯片控制升压，用662K稳压芯片控制降压来将电压先升后降，从而保证电压的稳定，继而使无人机能够正常工作运转。

  在本次四轴无人机项目的设计与开发过程中，我系统地完成了从整体构架设计到硬件电路实现的关键步骤，并对无线通信模块选型、电源稳定性设计等核心问题进行了深入思考。

一、系统性工程思维的提升

1.任务分解能力
通过将项目划分为结构设计、元器件选型、硬件/软件开发、调试试飞等模块，我掌握了复杂项目的拆解方法。例如在硬件设计中，需同步考虑电机驱动、电源管理、通信模块的兼容性，这种多线程推进的经历让我认识到"分而治之"的重要性。

2.设计闭环意识
   在确定无人机整体构成时，发现结构重量与电机推力参数需动态匹配。通过建立Excel参数关系表（如电池容量VS续航时间、桨叶尺寸VS升力），我学会了用数据驱动设计决策，避免后期返工。

二、经验教训总结

1.元器件采购陷阱

   初期选择的空心杯电机标称推力为50g，实际测试仅达38g，导致重新选型延误。后续将通过"参数留余量+样品实测"双保险规避风险。

2.工具链协同问题
   硬件设计时未考虑软件调试接口、没考虑到手工焊接时需要的空间大小，最后导致无人机焊接过程中连锡虚焊，从而耽误了调试时间。未来将建立《硬件-软件接口检查表》规范设计流程。

三、收获与体会

本次实践让我体会到，工程开发是"理论-实践-迭代"的循环过程。例如电源设计时，电压纹波通过示波器波形变得直观；而飞行器平衡调试则让我对《自动控制原理》的PID参数整定有了具象认知。这些跨学科知识的融合应用，正是工程创新的魅力所在。这次实践也让我真正的意识到了毕业设计的重要性，在后续设计过程中我将继续贯彻认真勤奋的精神，将毕业设计做好做完美，给我的大学生活交一个满意的答卷。