【《基于STM32微控系统的四轴飞行器设计》9400字（论文）】

基于STM32微控系统的四轴飞行器设计目录1 绪论 )在四轴飞行器控制中，如果直接通过信号驱动电机改变螺旋桨，飞行器的恢复力会比较小，系统还会存在稳态误差等情况。如果结合PID控制算法，通过对三个参数进行动态调节，建立电机转速和姿态信息的比例、积分和微分关系，可有效地加快系统动态响应的速度。（2）串级PID控制器单级PID控制器只考虑四轴的角度偏差和变化率，虽然也能达到对四轴的控制要求，但当受到外界环境干扰时，加速度计与陀螺仪采集的数据可能出现偏差，解算出来的欧拉角也会出现偏差，不能达到真正的姿态控制飞效果。串级PID控制器的本质为两个PID控制器的级联，其中一个角速度控制器，另一个是角度控制器。串级PID根据角度角和速度变化，及时对飞行器运动转态做出调整，增加了系统的稳定性。该控制器利用当前姿态和期望姿态的误差，通过PID控制输出PWM，驱动四个电机改变转速，实现四轴飞行器的姿态控制。串级PID控制器如REF_Ref69764367\h图52所示，有角度环PID控制器和角速度环PID控制器，根据期望角度和测量角度的差值，作角度控制器会做出相应的调整，；根据期望角速度和测量角速度的差值，角速度控制器做出相应的调整，最终输出控制信号，通过电机控制飞行器。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s12串级PID控制框图5.2调试环境搭建为了调试四旋翼飞行器的PID参数，能够固定住四旋翼飞行器，防止调试过程中出现摔机的情况，也能方便对横滚角与俯仰角的PID参数进行调试。使用如下四旋翼无人机调试架，其实物图如图REF_Ref69957743\h图53所示。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s13四旋翼飞行器调试架为了方便修改四旋翼无人机的PID参数，本实验选择使用了匿名科创地面站v4.34，使用前需要提前配置好串口端口号与串口波特率，打开链接后即可通过匿名上位机通过USB转TTL模块将PID参数写入四旋翼无人机主控的Flash中。其中，匿名科创地面站v4.34软件调试界面如REF_Ref69959886\h图54所示。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s14匿名科创地面站v4.34软件调试界面使用上位机时需提前使用USB转TTL模块将电脑的USB端口与四旋翼无人机的串口端口连接到一起。四旋翼无人机与电脑的硬件连接图如REF_Ref69959543\h图55所示。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s15四旋翼无人机与电脑的硬件连接图5.3系统PID参数调试PID内环控制器的输出是PID外环控制器输入，我们在调试时优先调节内环比例参数，理想的内环参数可以增强系统的控制准确度。为了便于调试俯仰角（pitch）和横滚角（roll）的PID参数，首先修改代码使得获取航向角（yaw）的数据一直为0，等四轴飞行器能自稳后再调节yaw方向的PID。首先，在控制系统中加入比例控制，如果比例系数太小，飞行器不能快速响应；比例系数太大，飞行器在平衡位置容易产生震荡；合适的比例系数能让飞行器快速响应修正角速度，并且不会产生很强的震荡；但是飞行器也会回弹几下，系统中此时还存在稳态误差。角速度环PID比例参数调试现象如REF_Ref70002621\h表51所示，从表中可以看出，当内环横滚角比例系数为1000时，飞行器满足匀速下落，轻微震荡的现象，最终确定横滚角的角速度环比例参数为930。表STYLEREF1\s5SEQ表\*ARABIC\s11角速度环PID比例参数调试现象内环横滚角比例系数（放大了1000倍）飞行器实验现象10快速下落，来回震动，响应慢100快速下落，来回震动，响应慢1000匀速下落，轻微震荡1500下落时卡顿，响应强烈，震荡强烈930匀速下落，轻微震荡接着在控制系统中加入微分控制，能够很大程度的抑制飞行器的震荡，产生了很明显的控制效果。在调节过程中，如果比例系数过大，在调试架上飞行器表现得很平稳，如果取下来进行飞行测试，飞行器出现晃荡的现象。再回到调试架降低参数，调整完后再次加大比参数。角速度环PID比例参数调试现象如REF_Ref70003087\h表52所示，从表中可以看出，当内环横滚角比例系数为1000时，快速回复，受到干扰会产生震荡，最终确定横滚角的角速度环微分参数为860。表STYLEREF1\s5SEQ表\*ARABIC\s12角速度环PID微分参数调试现象内环横滚角微分系数（放大了1000倍）飞行器实验现象10匀速下落，轻微震荡100匀速下落，震荡不明显1000快速回复，受到干扰会产生震荡500匀速下落，受到干扰回复860匀速下落，受到干扰快速回复然后调外环参数，在控制系统中加入外环比例控制，比例参数太小，控制飞行器不灵敏，比例系数过大，飞行器修正过程中容易震荡。角速度环PID比例参数调试现象如REF_Ref70003683\h表53所示，从表中可以看出，当内环横滚角比例系数为1000时，快速回复，最终确定横滚角的角速度环微分参数为1800。表STYLEREF1\s5SEQ表\*ARABIC\s13角度环PID比例参数调试现象外环横滚角比例系数（放大了1000倍）飞行器实验现象10匀速下落100匀速下落1000慢速回中5000来回震荡2500快速回中，剧烈震荡1800较快回中，受到干扰轻微震荡由于飞行器结构基本对称，调整完横滚角的PID系数后，将俯仰角的PID系数设置为与横滚角的比例系数一样。调内环的yaw的比例参数与积分参数时，先调比例系数，参数过大，飞行器有明显的回复力，受干扰后两个电机停止转动。参数过小，飞行器不能快速响应，左右摇晃，选择合适的参数，再慢慢加入积分系数最后再调节外环yaw的比例参数，最终确定内环偏航角的比例系数为2000，及积分系数为50，微分系数为1000，外环偏航角的比例系数为3500，微分系数为1000。最后确定飞行器的PID参数如REF_Ref70004827\h表54。表STYLEREF1\s5SEQ表\*ARABIC\s14PID比例参数比例系数积分系数微分系数内环横滚角角速度环9300860外环横滚角角速度环1800050内环俯仰角角速度环9300860外环俯仰角角速度环1800050内环偏航角角速度环2000501000外环偏航角角速度环3500010005.4飞行测试5.4.1无线通信测试系统的无线通信模块可以在飞行器和遥控器之间传送数据，当遥控器与飞行器连接成功时，系统能够将更新姿态数据无线通信模块发送到遥控器上，通过遥控器上的OLED屏幕，可以看到无线传输过来的姿态角度数据。如REF_Ref71206035\h图21REF_Ref71398856\h图56所示。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s16无线通信连接图5.4.2姿态数据测试为了验证MPU6050采集到的数据信息，将LED屏幕上的姿态角信息与手机上水平仪进行对比，如REF_Ref71399947\h图57所示，左图为手机水平仪测出的数据，右图为传感器测出的数据。通过数据显示发现，横滚角有1°的误差，是由于飞行器的物理结构不对称造成的。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s17姿态数据测试图5.4.3飞行测试经过前面的调试，以及PID参数调节，将程序下载到飞行器中，对其功能进行验证测试，测试现象如REF_Ref71400638\h图58所示，得出最终的测试结果如REF_Ref71057861\h表55所示。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s18垂直飞行比对图表STYLEREF1\s5SEQ表\*ARABIC\s15四轴飞行器飞行测试结果运动状态测试次数实验结果垂直起飞10正常飞行垂直降落10正常飞行水平向左10正常飞行水平向左10正常飞行水平向前10正常飞行水平向后10正常飞行由上述结果可以看出，飞行器基本能稳定飞行。总结与展望6.1总结本文设计了基于STM32四轴飞行器，通过MPU6050传感器采集姿态信息，同时结合串级PID控制算法，完成了以下工作：（1）首先研究了四轴飞行器的系统控制原理，并提出了设计方案。考虑飞行器不稳定、容易被外界干扰的特点选取了STM32最小系统作为主控制器，MPU6050传感器用于姿态信息的采集，2.4G无线通信模块用于数据的传输。（2）完成了飞行器的硬件部分设计以及布局，并分析了电路的实现与功能。硬件电路选取STM32F103芯片为主控制器，并设计外围电路。（3）完成了飞行器的软件部分设计。包括定时器中断程序设计、姿态传感器程序设计、以及无线传输模块程序设计。通过对比单级PID控制算法和串级PID控制算法，建立了适合本设计的PID控制器模型。（4）最后，对设计的四轴飞行器控制系统进行调试，主要是PID比例参数调节，经过大量的实验与尝试，使得飞行器可以正常飞行。6.2展望本文设计的四轴飞行器基本能实现各种常规运动，但是由于个人专业知识和研究水平有限，飞行器仍然存在许多不足和需要改进的地方：首先，飞行器的基本运动方面：本文设计的四轴飞行器只能实现简单的功能，以后可以继续完善四轴飞行器的功能，比如在设计中加入气压计，磁力计等模块可实现定高功能，还可通过计算机视觉等技术实现自主避障功能。其次飞行器的控制算法方面：由于受到周围环境的影响，MPU6050测量到的数据与真实数据存在一定偏差。本文只采用了串级PID控制算法，虽然在一定程度上增加了对飞行器的控制精度，但是控制效果并不是很好，以后可以结合更优秀的控制算法，改善飞行器的控制系统。

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