【《基于STM32单片机开发的无人机控制系统设计（附图）》6400字（论文）】

是四马达驱动的飞行器，它由固定在刚性十字结构上的马达驱动。飞机运动依赖四个电机的速度差来控制，其机械结构比较简单，不需要复杂的传动装置，就可以由电机直接驱动，便于实现微型化。四旋翼飞行器按旋翼布局可分为交叉式和X型，见图1-1。在姿态测量和控制方面，两者的区别并不大。为了保证视觉传感器的视线不被遮挡，为了方便后期的硬件升级，开发辅助导航功能，本设计采用了X型的布局模式。图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s11两种飞行器的模式示意图1.3.2微型飞行器动力学模型从图可以看出。以xB、yB和zB为坐标系，以原点固定在飞行器的重心上，分别指向了飞行器的前方、右方以及下方。选择参考坐标系n，xN,yN和zN三个坐标轴分别指向北、东和地方垂线的下方。这两个参数分别表示飞机的力矩和升力。图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s12四旋翼飞行器动力学模型1.3.3四旋翼飞机的飞行实现原理如图所示电机1、3逆时针转动，带动螺旋桨转动从而产生飞使行器向上的升力。但由于马达转动时会造成飞行器的不稳定。所以四个电机转速必须一致，并且电机2、4要求顺时针转动，抵消螺旋桨产生的向心力，才能保证飞行器的稳定飞行。当需要前进时，只需降低电机1、4的转速，增加2、3的转速即可。反之亦然。当需要左右方向移动时，将1、2转速降低，电机3、4转速增加即可。四个电机转速同时增加时产生向上的升力。这样就能够完成飞行器的上升下降、前后左右的运动。1.4论文主要研究内容本文设计了一种价格低廉的四旋翼飞行器，由飞行器和控制器两部分组成。能够实现飞行器的垂直升降、完成前后左右飞行动作。在飞行器的前端预留了摄像头接口，可用于辅助导航。主要研究飞行器的硬件电路构成及控制程序的调试。硬件电路包括：STM32主控电路、陀螺仪电路、排针接口电路、2.4G通信电路、升压—降压电路、按键电路等。控制程序包括：飞行器控制程序、遥控器左手油门控制程序、遥控器右手方向控制程序。2系统组成及硬件设计2.1飞行器技术指标设计了一种长128cm，宽128cm，重量为22g的四旋翼飞行器。通过实践操作该飞行器飞行时长为5分钟。能够实现垂直升降、前进后退、左右飞行的动作。并且为了适应技术更新，在飞行器的前端设计了摄像头接口，可以通过无线通信完成辅助导航的功能。2.2四旋翼机操纵系统构建在图2-1中可以看到。姿态测量系统由三轴陀螺仪、加速度计、磁力计组成。由主控制器测算系统飞行姿态，并且将接收的控制指令通过2.4G通信模块转换为PID控制器的输入，相应的PWM信号由主控制器输出，驱动四个MOS管，最后控制四个电机转速、增加或降低电机1、3的转速，降低或增加电机2、4的转速。就可以控制飞行器的飞行姿态。图2-2.四旋翼飞行器系统结构图2.3无人机硬件系统组成无人机由：主控制芯片STM32F103RBT6、三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计、2.4G无线通信模块、场效应管等硬件组成。运动执行机构：4个直径6mm的空心杯式马达，2对直径45mm的反桨。电源设备：3.7V/130毫安安锂电池。2.3.1STM32主芯片电路：以ARM为基础的32位单片机有64KB或128KB闪存、USB、CAN、7定时器、2个ADC、9个COM接口，用于控制飞行器完成飞行动作。图2-2STM32芯片2.3.2陀螺仪电路MPU6050由三轴陀螺仪、三轴加速度计组成。通过数字运动处理器将收集到的数据（四元数）由400kHz的IIC接口传输到STM32芯片上面，通过四元数到欧拉角的转换算法将转换过来的欧拉角数值传输到姿态控制算法中去，从而实现机身的平稳飞行。这些数据可以通过串口连接到上位机并在其显示。图2-3陀螺仪电路2.3.3串口电路：本设计在PCB板子上安装了4个串口包括串口1、SWM烧录口、串口3连接上位机、预留I0口。图2-4串口电路2.3.42.4GHZ通讯模块：本设计采用了nRF24L01无线收发器，其组成主要包括：频率发生器、增强型schockBurst模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制解调器。它具有连接多个单片机实现无线通信的特点。并且功耗相对较低，实用于飞行器的近距离通信。其有效范围为50M。在数天调试之后，我实现了两个设备在CortexM设备上的通信。图2-52.4GHZ通讯电路2.3.5升压电路与国外同类产品相比，BL8530国产DC-DC升压电路具有高性能、低功耗、价格低廉的优点。因为它需要一个固定的输出电压，所以在需要一些非标准电压时，可以通过增加外围电路来实现。PW6566芯片它是一种稳压芯片，其输出电压为3.3V，常用于MCU单片机供电的应用场合。图2-6升压电路2.3.6电机驱动电路电机驱动电路由四个LED灯及四个贴片MOS管s12302、直径6mm的空心杯马达组成。其中LED电路常亮表示控制已连接，LED等闪烁表示未连接。通过供电使马达工作产生升力，可以根据电压大小调节马达的输出功率。实现飞机能够完成升降动作，通过控制程序降低1、2电机转速，增加3、4电机的转速向左移动等飞行姿态。图2-6电机驱动电路2.3.7LED指示灯电路如图，遥控器LED指示灯电路由红蓝LED灯各一个组成。通过无线通信模块确认是否已连接。利用LED指示灯电路可以判断遥控器是否连接了飞行器，红蓝灯闪烁时不连接，红蓝灯常亮时已连接。图2-7指示灯电路2.3.8烧录电路TTL串口1为控制口。SWD串口的功能对遥控器进行控制程序的烧录。图2-8烧录电路2.3.9摇杆电路摇杆电路分为左右摇杆左摇杆：可以上下进行调节，实现飞机的升降。右摇杆：上下左右可调节，通过左右摇杆调节信号经过无线通信模块传输至飞行器从而改变电机转速，从而改变飞机飞行的方向。图2-9摇杆电路2.3.10蜂鸣器报警电路其工作原理为：通电开机蜂鸣器工作，无线通信模块连接后飞行器蜂鸣器工作。图2-10蜂鸣器报警电路电路2.3.11电源电路电源电路的主要部件为xc6206p332mr高电压调整芯片，它具有精度高，功耗低等特点。它分别由电流限制电路、摇杆驱动三极管、一个高精度参考电压源和一个误差校正电路组成。主要作用是给飞行器提供3.3v的稳压电源。图2-11电源电路2.3.12按键电路如图：共有六个按键电路，其中左按键用于微调准备，右按键为确认按键。其次是四个前后左右微调按键。用于后期飞行器平稳飞行的测试调整。图2-12按键电路3飞行器姿态的求解和飞行器的PID控制过程通过确定飞行器的飞行姿态从而控制飞行器。利用姿态测量系统进行姿态解算将数据作为PID控制的输入量。获取飞行姿态的初始值，利用算法对其进行更新，将四元数转换为欧拉角。由于存在误差，所以要利用互补滤波器对输入量进行修正。最后将修正后的欧拉角通过算法转换为标准四元数。3.1获取初始姿态用欧拉角来表示姿态，令（axb，ayb，azb)和(axn，ayn，azn)其分别代表航向角、俯仰角、横滚角。加速度的关系如公式1表示其中字母C代表三角函数Cos，字母S代表三角函数Sin。(1)静止状态下，陀螺仪未能确定飞行器的初始姿态，飞行器的自身加速度等于重力加速度，公式（2）如下。axBa=arctgaxB=arctgayB用加速度计计算出载体坐标系中的初始俯仰角和横滚角加速度即可求解。磁场强度(mxB,myB,mzB)与载体坐标系(mxN,myN,mzN)可以如下表示，通过磁力计获取磁场强度，并由上述公式代入(mxN,myN,mzN)。并且通过公式(6)可以得到初始的偏航角。用加速度计计算出载体坐标系中的初始俯仰角和横滚角加速度即可求解。(5)(6)3.2四元数的姿态更新（7）欧拉角先由(7)转化为四元数，再由(8)表示陀螺采样间隔的一阶近似算法，用毕卡算法对四元数进行更新。在载体坐标系中，wxB、wYB和wZB代表角速度，可以用陀螺来表示。(8)3.3对互补滤波器的数据进行融合由于陀螺仪的离散采样会导致误差，这样四元数的测量精度就难以保证。因此需要用加速计和磁力计来校正。先用(9)把更新过的四元数转换成欧拉角，再用互补滤波器校正，图4中显示了其公式(10)。用g作为下标，代表陀螺仪测量到的欧拉角，用a作为加速度计测量的欧拉角下标，用字母e作为互补滤波器校正后的欧拉角。(9)图3-1互补滤波器的原理图(10)通过参考公式(3)-(6)静止状态下可计算的欧拉角就为有效值。飞行状态下造成角度计算产生的误差因素有二。第一种振动来自于马达和旋翼的转动，第二种振动来自于外力，而非重力。在产生振动的状态下，可用使用低通滤波器进行处理。当有外力加速度的条件下，可以计算三轴加速度的合力，计算其与重量加速度的比值。比值处于规定区间时，就可以认为由加速度计算的欧拉角是准确的。可以通过互补滤波器进行校准。而不再规定的区间范围内时，其数据不可靠，不需要互补滤波器进行校正，只需要用到陀螺仪计算的欧拉角对四元数进行更新即可。互补滤波器的融合系数可以用公式（十）来表示。(10)3.4四元函数的规范使用由于计算存在误差，使用要对四元数进行规范化使用。将互补滤波器校正后的欧拉角通过公式(7)转化为四元数，再由(11)校正后的欧拉角，进行更新操作。q0=qq1=qq2=qq3=q33.5飞行器的PID控制过程旋翼微型计算机的控制目标是在没有动作指令的情况下保持稳定的悬停状态，使所述动作在有动作指令的情况下有效完成。控制过程比较简单，性能相对稳定，运行起来也很可靠，便于后期调整，广泛应用于工业控制行业。本论文采用PID控制器实现飞机姿态控制，不需要对飞机进行精确的数学建模，其原理图见图3-2。图3-2飞行器PID控制原理图所述PID控制器的输入为姿态欧拉角的期望值与计算值之差，如图每个电机PID控制输出量的叠加构成了PWM的控制量。叠加的范围是正是负由电机位置决定。将姿态和升力两个控制相结合，就可以使飞行器完成前后左右运动。

4系统软件设计流程图通电开机通电开机

条件初始化中断、时钟、ADC、PWM等初始化判断是否初始化成功系统初始化读取陀螺仪数据，判断稳定性获取陀螺仪偏移量读取遥控器是否连接遥控器通信模式为2.4ghzLED灯常亮实现飞行操作配置时钟，创建系统中断任务1ms任务5ms任务陀螺仪数据采集遥控器数据采集角速率PID控制电机控制飞行姿态解算角度PID控制NNYYN

5调试过程4.1系统的硬件调试系统硬件的调试主要分为两种，一种是静态调试，一种是动态调试。在没有工作时进行的调试就称为硬件调试，反之，在系统工作条件下的调试称为动态调试。这两种调试都是为找出系统在硬件电路中存在的问题。静态调试一般而言，静态调试有三个步骤：（1）、眼睛看：通过仔细观察电路板背侧，检查焊点，是否存在虚焊或者脱焊的情况，如果有要对焊点进行加固。（2）、万用表量：在不确定的情况下，借助数字万用表对电路进行测量。具体是将万用表调制蜂鸣档，将两支笔分别放在不确定焊点的同一支路的另外一个焊点上，如果发出响声，则电路导通。（3）、通电：给电路板通电，看电源是不是符合具体要求。2、动态测试一般是先部分后整体、由远及近的方法：（1）、先部分后整体，本设计采用模块化的设计思想，将电路整体分为了一个个的小模块，可以先测试每个小模块的功能是否完好，再分析整体的故障，减小故障排查范围。（2）、由近及远：从控制器的核心出发，电流依次流过元件，由小到大依次调试。经检查焊点完好4.2软件调试对软件的编写、运行、编译的过程中检查并改正错误的过程叫做系统的软件调试。在进行软件测试之前，先对电路的硬件进行检查，在确保硬件电路没有问题时才可以进行软件的测试。本设计采用了Keil编译软件对其进行调试，检查程序的格式和语法，及时修改错误，并且在每次修改之后对文件进行编译操作。将编译产生的hex文件传输到原理图上，查看仿真结果。如果达到了预期就将程序烧录到硬件电路板上，如果存在错误就继续进行修改。4.2飞行器连接上位机姿态测算4.2.1姿态测试环境的安装通过百度网盘下载匿名科创地面站软件对飞行器陀螺仪功能进行检测，并查看飞行器姿态。图5-3姿态测试环境安装4.2.2通过COM5端口连接计算机测试图5-3测试姿态通过调整飞行器姿态查看陀螺仪功能是否良好。通过前后左右运动看界面上的飞行器状态是否一一对应，从而确定陀螺仪功能是否良好。

结论本文介绍了一种微型四旋翼飞机的设计方案，阐述了其工作原理，并且详细的介绍了该设计的硬件组成及软件说明，详细的阐述了本设计飞行姿态的求解方法。并利用互补滤波校正陀螺测量误差，确定了互补滤波融合系数，本设计简单说明了PID控制系统的基本原理。该飞行器在设计方面具有体积小巧、结构紧凑、重量轻、功能全的特点。能够在狭小空间内实现升降，前后左右飞行移动。并且预留有硬件升级的接口，方便后期技术升级完成辅助导航的功能。对无人机产业发展前景的分析，在产业应用方面，虽然无人机被广泛应用于航拍、娱乐、运输等领域，但这还不够，无论是无人机的应用需求还是需要更深入的挖掘，未来看好做深做精，专业化无人机，从市场规模来看，警用无人机，农业植保无人机，测绘及巡检无人机，未来都有很大的投资价值。

参考文献基于STM32的微型无人机飞行控制器研究[D].王博.长春工业大学20182四旋翼无人机的组成及各部分功能[J].董明飞,侯恭,康立鹏,孟瑞锋.科技创新与应用.2018(21)3基于STM32的无人机飞行器设计[J].徐信,陈聪.信息通信.2018(12)4基于STM32的无人机飞行控制系统[J].杨