基于STM32的四旋翼飞行控制系统毕业设计

西华大学毕业设计说明书目 录1 前言 .11.1 背景与意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 论文主要工作 .22 总体方案设计 .32.1 方案比较 .32.2 方案论证与选择 .33 飞行器原理与结构 .53.1 飞行器原理 .53.2 飞行器结构 .64 单元模块设计 .84.1 各单元模块功能介绍及电路设计 .84.1.1 电源 .84.1.2 STM32F407 最小系统 .94.1.3 下载电路 .114.1.4 飞控姿态模块 .114.1.5 无刷电机连接电路 .124.1.6 串口接口电路 .124.2 特殊器件的介绍 .124.2.1 无线数传模块 .124.2.2 飞控姿态模块 .135 软件设计 .165.1 软件设计原理及设计所用工具 .165.2 主要软件设计流程框图及说明 .175.2.1 串口中断流程图 .175.2.2 外部中断流程图 .185.2.3 主程序流程图 .186 系统调试 .206.1 通信系统 .206.2 姿态传感器调试 .216.2.1 传感器数据分析与处理 .216.2.2 姿态解算 .236.2.3 数据中断 .286.3 PID 调试 .306.3.1 PID 姿态控制 .306.3.2 飞控系统 PID 调试 .337 系统功能、指标参数 .367.1 系统能实现的功能 .36西华大学毕业设计说明书7.2 系统指标参数 .368 结论 .388.1 回顾 .388.2 展望 .389 总结与体会 .3910 谢辞 .4011 参考文献 .41附录： .421.硬件电路图 .422.PCB 图 .433.部分程序 .444.外文翻译 .46第 1 页西华大学毕业设计说明书1 前言1.1 背景与意义近年来得益于现代控制理论与电子控制技术的发展，四轴飞行器得到了广泛的关注，在民用与工业领域，具有广泛的应用前景。甚至无人机在战争中得到广泛的应用。当下无人机发展火热，其中以四旋翼飞行器的发展最为突出。四旋翼飞行器其具有以下特点：(1)体积小巧，可以工作在恶劣的，危害人类健康和生命的环境中，最大限度地减少人员伤亡，飞行器可以全天工作无需休息，工作效率高。(2)支持配备高端电子产品，多种外设相连接，如照相机、机械臂等，可以实现一些娱乐功能。例如在高空电力线巡检中，无人机能在工作人员的操控下进行工作，可以代替人工对巡检对象实施接近检测，减少工人的劳动强度。也可以携带传感仪器、摄像机等，对巡检对象进行数据收集、分析与存储，这进一步提高巡检的工作效率和巡检精度。在军事上，在局部小规模对战的时候，一些普通的侦察机，可能受到敌方打击而造成不必要的机体人员伤亡，无人机则可以很好地起到替代作用。利用四旋翼飞行器作为侦察机，具有振动小、噪声小、可靠性高、成本低、反侦察能力强、自我销毁等优势。因此无人机的军事价值不可估量。四旋翼飞行器还有着更为广阔的前景等待着开发。比如可以通过为飞行器的添加更加智能的算法实现人机互动，让飞行器帮人取物件等。尽管目前四旋翼飞行器已经在许多领域得到运用，但总体而言依旧处于初步发展阶段。1.2 国内外研究现状国际上比较知名的飞行器公司有中国大疆创新和美国的 3D Robotics。作为全球无人机领域的领头羊，这两家公司在无人机技术发展速度可以用迅猛来形容。比如大疆公司最新的精灵 4 无人机，实物图如图 1.1 所示。第 2 页西华大学毕业设计说明书图 1.1 精灵 4 实物图精灵 4 具有以下功能：1. 可感知前方障碍物并自动绕行。 2. 通过视觉识别自动跟拍移动物体。 3. 点击相机画面，即可向指点方向自主飞行。 4. 智能返航，感知障碍物后可自动提升飞行高度。 5. 最大飞行时间 28 分钟，最大可控距离约 5 公里。 6. 最高速度提升至 20m/s (72km/h)。 7. 一体化云台设计，提升了飞行和影像的稳定性。 8. 利用全新的视觉定位技术，可实现室内外精准定位。又比如：3D Robotics 公司最新出品的 PIXHAWK 飞控，拥有出色飞行稳定性，搭载双传感器系统和冗余电源输入并且可以扩展两组 GPS 系统，确保飞行失误降到最低。这两家公司占领了全球大部分无人机市场，并且由于技术的高门槛和垄断，其他无人机公司已经被远远的甩在了后面。大部分的无人机公司的技术仅仅停留在稳定飞行、简单航拍和户外 GPS 定位阶段。1.3 论文主要工作无人机作为当今电子产业里一个冉冉升起的新星，具有广阔的市场和发展前景。作为当代大学生，不仅要顺应时代的潮流，更要有作为时代弄潮儿的信心与勇气。四旋翼无人机涉及知识面很广泛，其中核心知识与本专业契合度相当高。比如，一颗功能强劲的微机芯片就可以打造一个功能完备的飞行控制系统。而这恰恰是微机原理和单片机的运用。主流无人机的控制系统离不开自动控制原理。并且目前无人机在电力行业的应用力度很大，综上，毕业设计选择了基于 STM32 ARM 单片机的四旋翼飞控系统。 受限于本人知识水平，本文解决以下问题：第一章节：四旋翼飞行器研究背景与意义，国内外发展现状。第二章节：就四旋翼飞行器方案讨论与选择，选择了基于 STM32 ARM 单片机的第 3 页西华大学毕业设计说明书四旋翼飞行控制系统。第三章节：简单叙述了飞行器飞行原理，以及机械结构。第四章节：飞行控制系统硬件设计，其中包括单片机最小系统，各类模块接口等。第五章节：程序流程图，对程序流程进行简单说明。第六章节：飞行器控制系统设计，包括传感器数据进行分析和处理，DMP 姿态解算方式，配置中断实时更新当前飞行姿态数据。四旋翼飞行器的 PID 调试策略。第七章节：上位机与飞行器之间的通信系统，PID 调试过程。 2 总体方案设计 2.1 方案比较方案一：基于意大利开源硬件 Arduino Nano 作为数据处理，姿态结算的飞行控制系统。其飞行控制系统结构如图 2.1 所示。微 控 制 器ATMEGA328P最 小 系 统姿 态 检测 模 块无 线 接收 器无 线 遥控 器导 航 模 块无 线 遥 控 接 收 系 统PPM信 号LCD显 示屏无 刷 电 机 电 机 驱 动PWM DATADATADATA图 2.1 Arduino 飞控系统结构图方案二：采用意法半导体的 STM32F407VET6 作为飞行器的主控芯片。其飞行控制系统结构如图 2.2 所示。第 4 页西华大学毕业设计说明书飞 行 控 制 器PWM控 制接 口电 子 调速 器 2电 子 调速 器 3电 子 调速 器 4电 机 1电 机 2电 机 3电 机 4无 线 数据 传 输模 块上 位 机控 制 命令加 速 度 计/陀 螺 仪模 块微 控 制 器 单 元STM32F407VET6稳 压电 源单 元串 口调 试单 元UART模 块接 口LED控制 单元电 子 调速 器 1图 2.2 基于 STM32 飞控系统结构图2.2 方案论证与选择方案一：Arduino Nano 是基于 Atmega328P AVR 单片机的开源硬件，具有两个外部中断口，可以输出六路 PWM 波，兼备 IIC,UART,SPI 通信功能，总的来说，其具有丰富的片上资源和优秀的性能。对它编程使用的是 Arduino C,这种 C 语言类似于标准C,但又针对 Arduino 系统做了大量的简化工作，提供了许多函数和库文件，但是通用性不高。Arduino 虽然是已开源的飞行控制系统，命令是依靠无线遥控器发出的，这会额外增加遥控器的费用。另外 Arduino 通信协议未知，这并不利于增添代码后的调试工作。方案二：意法半导体的 STM32F407VET6 为 CORTEX-M4 内核，属于 32 位 ARM微控制器，常用的编程软件是 KEIL 和 IAR，编程语言可以是汇编，标准 C 语言，C+等，使用灵活方便。友好的编译方式大大提高了代码的通用性和可移植性。STM32F407VET6 具有卓越的性能，并不输于 AVR 的 Atmega328P。这里采用上位机传输命令给飞行控制系统，也简化了系统调试方式。最后考虑到资金、性价比和使用的难易程度选择方案二，基于 STM32F407VET6 单片机的飞行控制系统。第 5 页西华大学毕业设计说明书3 飞行器原理与结构3.1 飞行器原理四轴飞行器具有两种不同的飞行模式： X 型与十字型。X 型飞行方式的四旋翼飞行器姿态改变的方向与机身成一个 45 度角，十字型飞行方式四旋翼飞行器姿态改变方向与飞行器机身相同。因为采用 X 型飞行方式的飞行器具有更好的控制灵敏度与稳定性，所以选择了 X 型的飞行方式。两种工作模式如图 3.1 所示。YXYX图 3.1 X 型（左）与十字型（右）飞行方式图四旋翼飞行器的四个螺旋桨都是电机直连的结构，通过改变电机转速获得旋转机身第 6 页西华大学毕业设计说明书的力，从而调整自身姿态。在飞行器飞行过程中，螺旋桨会产生两个力，一个是升力，一个是与螺旋桨转向相反的反扭矩。反扭矩会使飞行器沿着螺旋桨旋转的方向自旋，如果不抵消反扭矩会让飞行器一直自转，这会影响飞行器的飞行。四旋翼飞行器通过分配四只螺旋桨的转向来抵消各个螺旋桨产生的反扭矩。以 X 型飞行方式为例，按顺时针方向为每个电机编号，右上角电机为 1 号电机，依次编号 1、2、3、4。并将 1、2号螺旋桨所在的轴向方向定义为 X 轴方向，即机头。 3、4 号螺旋桨所在的轴向方向定义为 Y 轴方向。为了抵消螺旋桨的反扭矩，1、 3 号螺旋桨需要顺时针转动，2、4 号螺旋桨需要逆时针转动，即对角线上的螺旋角旋转方向相同，以此抵消相互之间的反扭矩。四旋翼飞行器的飞行方向与速度都是由飞行器的倾角决定的，并且飞行器倾斜的角度越大，飞行速度也就越快。通过调节各个电机的转速可以达到控制飞行器姿态、速度、甚至是飞行路径的效果。其中，四旋翼飞行器飞行的姿态主要是高度、俯仰角（Pitch） 、横滚角（Roll） 、偏航角（Yaw） ，可以继续细分为：上升、下降、前倾、后倾、左倾、右倾、左旋、右旋。(1) 高度：使四个螺旋桨转速相同，当其同时加速时，螺旋桨升力变大，当升力大于飞行器重力时，飞行器拥有向上运动的加速度，飞行器上升；当四个螺旋桨同时减速时，螺旋桨产生的升力变小，当升力小于飞行器重力时，飞行器拥有向下运动的加速度，飞行器下降。 (2) Pitch：就是绕着 Y 轴方向旋转，所进行的控制为 1，2 号电机转述同等减小，3，4 号电机转述同等增大，飞行器往前倾；反之，会后倾。 (3)Roll：与俯仰控制相似，横滚就是绕着 X 轴方向旋转， 1,4 号电机转述同等减小，2,3 机转述同等增加，产生右倾；反之，会左倾。 (4)Yaw：同理可得，就是飞行器绕着 Z 轴旋转。当 1、3 号电机转述同等减小，其反扭矩和升力减小，并且 2、4 号电机转述同等增加，其反扭矩和升力增加，由于反扭矩出现不平衡，会使飞行器向右转，反之，会使飞行器向左转。3.2 飞行器结构采用的机架型号为 F360，轴距 360mm。螺旋桨型号是 1047 型。电机采用的是朗宇 X2212，980KV 无刷电机，即每加 1V 的电压，电机每分钟 980 转，电机转速大约是 10878 转分。通常四旋翼飞行器配 2200mah 的电池。电调为好盈天行者 30A 的电子调速器，整个飞行系统用锂电池供电。电机实物图如图 3.2 所示，电子调速器实物图如图 3.3 所示。第 7 页西华大学毕业设计说明书图 3.2 朗宇电机实物图图 3.3 电子调速器实物图飞行器组装完成后如图 3.4 所示第 8 页西华大学毕业设计说明书图 3.4 飞行器实物图4 单元模块设计 4.1