【《基于STM32单片机的四旋翼无人机控制系统设计》15000字（论文）】

[12]。只通过使用单个闭环PID来控制姿态，会出现无人机飞行不平衡或时滞的现象。为了解决这个问题，我决定采用双闭环串级PID控制。角度的PID、角速度的PID控制，因为角度的微分本质上就是角速度，所以角度环的误差就能够理解为角速度。角度环的误差输入角速度环作为角速度环的期望值，角速度环利用陀螺仪观察角速度的变化作为反馈值和期望值得到误差，然后控制角速度尽快达到期望值，并将角速度环的输出值给四路电机控制飞行器姿态，姿态求解算法得到实时姿态作为角环的反馈值。这样，我们将两个PID控制器串联起来。通常，角环称为外环，角速度环称为内环。双闭环串级PID控制框图如下所示：++期望姿态角角度PID控制角速度PID控制四路电机转速飞行器姿态角（IMU）++期望姿态角角度PID控制角速度PID控制四路电机转速飞行器姿态角（IMU）陀螺仪采集角速度陀螺仪采集角速度实际姿态角实际姿态角图3.5双闭环串级PID控制框图双闭环串级PID控制比单闭环PID控制更多的是角速度环路控制，角速度数据由陀螺仪测量，测量值一般不易被干扰，而且角速度变化较快，当遭受外界干扰时的迅速响应增强了整个无人机系统的鲁棒性。这解决了无人机机会失去平衡或跟随滞后的问题。四旋翼无人机姿态PID控制器核心代码段如下： //角度环 PID_Postion_Cal(&PID_ROL_Angle，Target_Angle.rol，Measure_Angle.rol);//ROLL角度环PID（输入角度输出角速度） PID_Postion_Cal(&PID_PIT_Angle，Target_Angle.pit，Measure_Angle.pit);//PITH角度环PID（输入角度输出角速度）// PID_Postion_Cal(&PID_YAW_Angle，Target_Angle.yaw，Measure_Angle.yaw);//YAW角度环PID（输入角度输出角速度） //角速度环 PID_Postion_Cal(&PID_ROL_Rate，PID_ROL_Angle.OutPut，gyr_in->X*RadtoDeg);//ROLL角速度环PID（输入角度环的输出，输出电机控制量） PID_Postion_Cal(&PID_PIT_Rate，PID_PIT_Angle.OutPut，gyr_in->Y*RadtoDeg);//PITH角速度环PID（输入角度环的输出，输出电机控制量） PID_Postion_Cal(&PID_YAW_Rate，Target_Angle.yaw*PID_YAW_Angle.P，gyr_in->Z*RadtoDeg);//YAW角速度环PID（输入角度，输出电机控制量） //动力分配 if(rc_in->THROTTLE>180&&armed)//当油门大于150时和飞机解锁时动力分配才生效 { Moto_PWM_1=rc_in->THROTTLE+PID_ROL_Rate.OutPut-PID_PIT_Rate.OutPut-PID_YAW_Rate.OutPut; Moto_PWM_2=rc_in->THROTTLE-PID_ROL_Rate.OutPut-PID_PIT_Rate.OutPut+PID_YAW_Rate.OutPut; Moto_PWM_3=rc_in->THROTTLE-PID_ROL_Rate.OutPut+PID_PIT_Rate.OutPut-PID_YAW_Rate.OutPut; Moto_PWM_4=rc_in->THROTTLE+PID_ROL_Rate.OutPut+PID_PIT_Rate.OutPut+PID_YAW_Rate.OutPut; } else { Moto_PWM_1=0; Moto_PWM_2=0; Moto_PWM_3=0; Moto_PWM_4=0; }Moto_Pwm(Moto_PWM_1，Moto_PWM_2，Moto_PWM_3，Moto_PWM_4);//将此数值分配到定时器，输出对应占空比的PWM波}四路电机动力分配：PID控制器计算得出的数据需要给到四轴控制系统中的电机，所以需要将三个姿态角的控制输出分配给四个电机以控制无人机飞行动作姿态。动力分配代码如下： //动力分配 if(rc_in->THROTTLE>180&&armed)//当油门大于150时和飞机解锁时动力分配才生效 { Moto_PWM_1=rc_in->THROTTLE+PID_ROL_Rate.OutPut-PID_PIT_Rate.OutPut-PID_YAW_Rate.OutPut; Moto_PWM_2=rc_in->THROTTLE-PID_ROL_Rate.OutPut-PID_PIT_Rate.OutPut+PID_YAW_Rate.OutPut; Moto_PWM_3=rc_in->THROTTLE-PID_ROL_Rate.OutPut+PID_PIT_Rate.OutPut-PID_YAW_Rate.OutPut; Moto_PWM_4=rc_in->THROTTLE+PID_ROL_Rate.OutPut+PID_PIT_Rate.OutPut+PID_YAW_Rate.OutPut; } else { Moto_PWM_1=0; Moto_PWM_2=0; Moto_PWM_3=0; Moto_PWM_4=0; }Moto_Pwm(Moto_PWM_1，Moto_PWM_2，Moto_PWM_3，Moto_PWM_4);//将此数值分配到定时器，输出对应占空比的PWM波}3.6串级PID参数整定在完成PID控制器原理分析和C语言代码实现之后，可以发现PID代码编写并不困难，而且PID参数整定的难度要大于它，PID参数整定将直接影响无人机的性能。由于本文采用串级PID算法，PID参数整定需要角速度环参数和角速度环参数的整定。有六组参数需要调整。PID参数整定应遵循“先内后外，逐个整定”的原则。在姿态控制中，内环是速度环，也是稳定环。内环参数的优劣将直接影响无人机的整体控制效果。因此，在调整参数时，首先要调整内环参数。整定内环参数时，外环参数设置为零。整定完内环参数后再添加外环参数。四轴姿态角共有三个角，因此需要逐角调整参数，而不是同时调整三个角。串级PID参数调节基本流程如下:1)起飞油门的大概估计。2)角速度内环参数调节。3)加上角度外环进行外环参数调节。4)横滚参数调节5)偏航参数调节6)整机调节第4章总结与展望本文通过学习参考国内外先进无人机飞行控制系统设计思路和方案，根据国内外无人机工业的发展趋势和无人机民用领域的要求，提出了一种四旋翼无人机飞行控制系统，选择stm32f411作为系统的控制核心，设计了系统的硬件结构，然后在此基础之上完成了后续飞控系统的软件开发。本文主要研究工作有以下几个部分：通过对无人机和姿态控制原理的研究，确定了飞行控制系统的硬件设计方案。在此基础上，根据工程项目要求选择了核心控制器、通信模块和传感器等模块。通过基于stm32f411的微型无人机硬件系统，然后详细分析了各个模块的硬件电路，设计了硬件电路，构建了一个完善的飞行控制硬件系统。之后利用Altiumdesigner软件完成硬件电路原理图的绘制、PCB的布局和布线。完成PCB打样和焊接。根据系统的硬件层次、自动控制原理和通信要求，设计了控制系统的软件部分，完成数据采集与传输、姿态计算和电机转向控制。研究了无人机姿态控制算法，采用双闭环串级PID控制，有效地控制了无人机的空中姿态。调试结果表明，双闭环串级PID控制器的控制性能明显优于传统PID控制器。无人机飞行控制系统设计是一个多学科综合的复杂工程项目。四旋翼无人机涉及的技术范畴广泛，它较为接近机器人的概念。本文所设计的四旋翼无人机飞行控制系统初步满足了无人机的飞行要求，为未来无人机的研究奠定了基础。本次设计对我而言是一次初步探索，还有很多地方可以改进：1.对于高性能，实现复杂任务的无人机，可以使用多片微控制器，主控模块改进为多核处理模式进行分工协作从而使无人机处理任务速度更快。2.未来无人机的工作环境可能会更加恶劣，所以对于无人机的硬件保护需要做的更好，不管是内部硬件电路还是外部尺寸形状材料的选取都应考虑进去。3无人机正向着更小的方向发展，所以如何将无人机尺寸做的更小但功能更好值得思考。4.为了提高飞控的整体性能，应该从系统的散热、抗震、抗信号干扰等方面进行了相应的设计和实际测试。5.系统的软件设计有待进一步优化，以提高系统的可靠性。在PID控制器的设计过程中，虽然物理意义明确，并且在工程上容易实现，但是该PID控制器算法的鲁棒性十分有限，所以今后需要对现代控制方法，例如鲁棒控制和自适应控制等方法进行研究，控制器的算法进行进一步的优化。6.在未来的工作当中，我们可以去建立一个可视化的地面站，通过这个地面站实时显示各种飞行参数和飞行轨迹。通过对四旋翼无人机的不断学习，我学到了很多飞行器相关的多学科知识。虽然很多地方都是“不求甚解”，但是本次无人机的研究设计也锻炼了我很多，我从中也学到了很多。虽然目前无人机在国内看来使用的场景较多，但是在生活中并不能明显看到或是感觉无人机就在身边。希望未来无人机技术的快速发展，能够让我们见证该技术切实改善着我们的生活的方方面面，为人们带来各种生活上的帮助。希望无人机技术被更多人所看见和重视，希望无人机像手机一样改变人类生活方式的那一日天早日到来。本文所设计无人机飞控系统仍有许多可以改进之处，介于本人精力有限，才疏学浅，无法将无人机做到面面俱到，只能说是一次简单的尝试。希望以后不会忘记无人机起飞时给我带来的喜悦，也希望无人机能飞的更高更远。参考文献勾青远.基于TMS320F2812的小型无人机控制系统设计[D].郑州大学，2013.潘银松，刘艳，王攀峰，等.基于DSP的无人机飞控系统的研究[J].电子测量技术，2014(07):59-62.JingQiu，ChaoWang，Guan-junLiu，YongZhang，Tian-meiLi.Testabilitydemonstrationforaflightcontrolsystembasedonsequentialprobabilityratiotestmethod[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers，PartG:JournalofAerospaceEngineering，2015，229(3).都基焱，张振.小型无人机飞行控制系统硬件设计[J].兵工自动化，2014(9):64-67.董峰，常佶.基于STM32微控制器的小型无人机飞行控制系统[J].自动化应用，2011(05):79-82.PawełRzucidło，PeterChudy.AnalysisofInteractionsbetweenPilot-OperatorandAdvancedFlightControlSystem[J].SolidStatePhenomena，2012，1486.周传祥.基于DSP的导航/飞控嵌入式系统设计[D].西北工业大学，2007.BhatiaAjeetKumar,JiangJu,ZhenZiyang.QuadcopterUAVModelingandAutomaticFlightControlDesign[J].TransactionsofNanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,2017,34(06):627-636.杜大程，刘莉.小型无人机自动驾驶仪设计与实现[J].计算机测量与控制，2010(11):2681-2683.胡庆.基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计[D].南京航空航天大学，2