四旋翼直升机飞行控制系统设计
毕业论文基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计
2016 南阳理工学院本科生毕业设计论文学院系电子与电气工程学院专业电子信息工程学生指导教师完成日期南阳理工学院本科生毕业设计论文基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计Autonomous control system for the quadrotor unmannedaerial vehicle based on ARM processors总计毕业设计论文25 页表格0 个插图20 幅3 南阳理工学院本科毕业设计论文基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计Autonomous controlsystem for the quadrotor unmanned aerial vehicle based on ARM processors学院系电子与电气工程学院专业电子信息工程学生姓名学号指导教师职称评阅教师完成日期南阳理工学院Nanyang Institute of Technology4基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计[摘要]针对改变传统以单片机为处理器的四旋翼自主控制飞行器控制方式的问题设计了一种基于嵌入式ARM的飞行控制系统的设计和实现方案。
这是一种基于ARM的低成本、高性能的嵌入式微小无人机飞行控制系统的整体方案。
详细介绍了控制系统的总体构成以及硬软件设计方案包括传感器模块、视屏采集模块、系统核心控制功能模块、无线通信模块、地面控制和数据处理模块。
实验结果表明该设计结合嵌入式实时操作系统保证了系统的高可靠性和高实时性能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求。
[关键词]ARM四旋翼自主飞行器控制系统。
Autonomous control system for the quadrotor unmannedaerial vehicle based on ARM processors Abstract In order to change the conventional control of four—rotor unmanned aerial vehicles using microcontroller as the processor a solution of flightcontrol system based on embedded ARM was presented which is low-cost,small volume, low power consumption and high performance. The purpose ofthe work is for attending the National Aerial Robotics Competition. The mainfunction of the system the hardware structure and the software design werediscussed in detail including the sensor module the motor module the wirelesscommunication module With embedded real time operating system to ensurethe system’s high reliability and real-time performance the experiments resultsshow that the requirements of flight mode are satisfied including taking ofhovering and landing and so onKey words ARM four-rotor unmanned aerial vehicles control system5 of the control signals 1 四旋翼飞行器的简介 1.1题目综述微型飞行器MicroAir Vehicle/MAV的概念最早是在上世纪九十年代由美国国防部远景研究局DARPA提出的。
六个自由度的四旋翼飞行控制原理
1.四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以 它又是一种欠驱动系统。 2.四旋翼飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化。 3.电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转， 保证四旋翼飞行器能够提供升力的同时，又能平衡其对机身 的反扭矩。
机载端控制电路版开发
• 红外接收装置——接收到发射装置的信息传递给单片机。
• 中央处理——单片机将接收到的红外信息处理，发送到PWM装置， 控制发动机的转速改变。
动力电路开发（PWM控制电流装置）
PWM电流控制电路： 每个PWM控制 器由一组电桥、及其外部一个感应电 阻（Rs）、一个内部比较器和一个单 稳多谐振荡器组成，来独立感应和控 制输出电流。
红外线接收器（接收信号）
反馈
单片机（中央处理）
PWM 步进电机（改变电流大小）
电机（转速改变） 飞行动作 轨道偏移外部扰动来自遥控电路开发（红外线装置）
• 四通道遥控器——上下、左右、前后、旋转 • 红外遥控装置——开关键，上升下降键，方向前后左右键。 （开关键：开启时，转速与飞行器重力刚好抵消，处于悬停 状态。关闭时，转速为零，处于停止状态。）
输出电流的逻辑控制：两个输入逻辑信号（l0 和 I1）用于数 字选择电机线圈电流在其最大水平的百分比，100%, 67%, 33%, or 0%。0%的输出电流值说明电桥关闭了所有驱动并且 也作为一个输出特性。
外界干扰因素
• 1.传感器噪声 • 2.外部扰动 • 3.摩擦 • 4.风速
四旋翼飞行器PID控制器的设计
四旋翼飞行器PID控制器的设计引言：1.PID控制器原理：PID控制器是由比例、积分和微分三个控制基元组成的。
其中比例控制器根据偏差的大小调整控制量；积分控制器根据偏差的积累调整控制量；微分控制器根据偏差的变化率调整控制量。
PID控制器根据实际值和期望值的偏差以及偏差变化率和积累量来调整控制量，以达到稳定目标。
2.四旋翼飞行器PID控制器参数调整：PID控制器的性能取决于三个控制基元的参数调整。
参数调整不当会导致飞行器姿态不稳定，甚至发生震荡。
常用的参数调整方法包括手动调整和自适应调整。
手动调整需要通过观察飞行器的响应来调整参数，而自适应调整则是根据系统的动态特性自动调整参数。
3.四旋翼飞行器PID控制器设计步骤：（1）确定控制目标和输入变量：控制目标即所要控制的飞行器姿态或高度，输入变量即传感器测得的实际值。
（2）传感器数据处理：通过传感器获得飞行器姿态或高度相关的信息，并进行滤波和校正，以减小误差。
（3）误差计算：计算实际值与目标值之间的误差，作为PID控制器的输入。
（4）参数调整：根据实际情况选择手动或自适应调整方法，逐步调整PID控制器的参数。
（5）控制量计算：根据误差和PID控制器的参数计算控制量。
（6）控制执行：将控制量传输给四旋翼飞行器的执行机构，使其根据控制量进行相应的动作，以实现飞行器的稳定。
4.PID控制器应用拓展：PID控制器作为一种简单有效的控制方法，广泛应用于四旋翼飞行器以外的许多领域，如汽车、工业控制和机器人等。
在实际应用中，还可以根据具体需求进行改进和优化，比如引入模糊控制或自适应控制等。
结论：四旋翼飞行器PID控制器是实现飞行器姿态和高度控制的关键部件。
通过合适的参数调整和控制策略设计，可以实现飞行器的稳定飞行。
PID 控制器在实际应用中具有广泛的适用性和可拓展性，为飞行器控制提供了一种简单而有效的解决方案。
四旋翼飞行器姿态控制系统设计
四旋翼飞行器姿态控制系统设计作者：周家强贺恬来源：《中国科技博览》2015年第25期[摘要]四旋翼飞行器在飞行控制的过程中具有控制成本高性能不稳定的特点。
本文展开了对四旋翼飞行器飞行姿态控制系统的研究。
对四旋翼的英语前景进行了分析，对于四旋翼飞行姿态控制系统进行了简单的介绍，对于控制器的设计过程进行了阐述，介绍了参考模型设计以及反馈回路设计等过程，最后利用新设计的四旋翼姿态控制系统进行了飞行测试实验，实验表明四旋翼姿态控制系统能够较好的保障四旋翼飞行过程中的平衡和稳定性。
[关键词]四旋翼飞行器姿态控制系统控制器参考模型反馈回路中图分类号：R12.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0328-011、引言在近几十年以来，全世界范围内的各种人为的以及自然的灾害频发。
灾害发生以后由于交通受到阻断，通信受到破坏所以灾区内部的真实客观情况无法及时的传递出来，这给救灾工作带来了很大的麻烦。
小型的飞行器的出现有效的解决了这一问题。
小型飞行器其飞行成本较低，飞行高度较低可以较好的拍摄人们不能够进入灾害区域的具体状况。
并且微型的四旋翼飞行器无人驾驶减少了人身伤害的可能性。
所以在实际的抗震救灾的过程中四旋翼飞行器得到了非常广泛的应用。
不仅仅局限于抗震救灾，四旋翼飞行器在监测天气以及低空的侦查和较轻货物的运输过程中都发挥了巨大的作用。
并且目前很多快递公司展开的自动送货以及自动送餐服务该飞行器都得到了广泛的应用，从四旋翼飞行器的应用来看，其具有非常广阔的发展前景。
2、被控对象本文所研究的对象为四旋翼飞行器，四旋翼的整体是利用碳纤维材料制成，其重量较小但是具有一定的强度。
飞行器上配置了4个直流电机。
能够持续飞行40分钟的时间。
其主要的构成部分有机身、电机和电机驱动、主控设备和通讯设备等。
3、姿态模型四旋翼飞行器具有6个自由度，并且耦合性较强，是一种非线性的多输入以及多输出的系统。
由于四旋翼飞行器在飞行的过程中其姿态的角度可调整性是不大的，所以可以将四旋翼飞行器的6个自由度看作是单独的输入和输出系统来进行控制器的设计。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述【摘要】四旋翼飞行器是一种多旋翼飞行器，具有稳定性好、机动性强等特点，被广泛应用于无人机、航拍等领域。
本文对四旋翼飞行器的发展历程、基本结构、传统飞行控制方法、先进飞行控制方法以及在不同领域的应用进行了综述。
在未来发展方面，四旋翼飞行器飞行控制技术将更加智能化、自主化，以应对更多复杂的飞行任务。
对于四旋翼飞行器飞行控制技术的展望，我们可以看到其潜力巨大，将为航空领域带来更多创新。
四旋翼飞行器的飞行控制技术在不断进步，将助力无人机等领域的快速发展和应用。
【关键词】四旋翼飞行器，飞行控制技术，发展历程，基本结构，传统飞行控制方法，先进飞行控制方法，应用领域，未来发展，展望，总结。
1. 引言1.1 四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器飞行控制技术是指通过对四个旋翼的控制，实现飞行器的姿态稳定、高度保持、定位等功能。
随着无人机技术的飞速发展，四旋翼飞行器在民用、军事、科研等领域得到了广泛应用。
在四旋翼飞行器飞行控制技术中，有传统方法和先进方法两种主流技术。
传统方法主要包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等；而先进方法则包括了自适应控制、模型预测控制、强化学习等。
不同的控制方法各有优缺点，适用于不同的飞行场景和要求。
四旋翼飞行器也在不同领域得到了广泛应用，如农业、消防救援、电力巡检等。
未来，随着航空技术的不断进步，四旋翼飞行器飞行控制技术将迎来更大的发展空间。
展望未来，可以通过结合人工智能、大数据等技术，实现四旋翼飞行器的智能化和自主化飞行。
四旋翼飞行器飞行控制技术的不断创新将为无人机行业带来更加广阔的发展前景。
2. 正文2.1 四旋翼飞行器的发展历程四旋翼飞行器的发展历程可以追溯到十九世纪，当时已有人构想出四旋翼飞行器的概念。
但直到二十世纪二战期间，四旋翼飞行器才得到了实际应用的机会。
德国的Flettner Fl 282“鼓鼓”直升机是二战期间最著名的四旋翼飞行器之一，它在反潜侦察和护航任务中发挥了重要作用。
四轴飞行器飞控原理要点
四轴飞行器飞控原理四轴飞行器飞控原理 (1)一、六种姿态控制原理示意 (3)二、四轴翼飞行器系统建模 (4)2.1假设条件： (4)2.2建立坐标系： (5)2.3转换矩阵推导： (6)2.4非线性模型 (7)2.5模型线性化 (11)三、基于PID的飞行控制 (15)四、硬件设计与实现 (17)4.1四轴飞行器硬件电路 (17)五、国内外四轴飞行器 (17)5.1 Kesterl (17)5.2 Unav3500 (18)5.3 MikroKoper (18)5.4 ArduPilot (19)5.5 Crazyflie (20)一、六种姿态控制原理示意图1 上下（高度）控制，就是四个螺旋桨同时增加（减小）转速；图2 前进、后退图3 左飞、右飞图4 类似打方向盘，改变航向二、四轴翼飞行器系统建模2.1假设条件：微小型四旋翼飞行器在三维空间中可视为刚体,飞行器在空间中的运动具有六个自由度,即飞行器质心在空间中的三个平移自由度和三个旋转自由度。
由于该飞行器一般为低空低速飞行,因此可以对其动力学模型的建立做如下假设:1)微小型四旋翼飞行器在研究中视为刚体,忽略其弹性影响,总质量m 为常数;2)将地球视为惯性系统,忽略地球自转和公转对飞行器的影响;3)假设地面为水平平面,忽略地球曲率的影响;4)重力加速度g为常数,不随地理位置和飞行高度的变化而变化;5)飞行器机机体几何外形完全对称且质量分布均勻,质心与几何中心重合。
2.2建立坐标系：图5机体坐标系B、地面坐标系EФ绕X轴方向的横滚角(rad);θ绕轴方向的俯仰角(rad);ψ绕Z轴方向的偏航角(rad):2.3转换矩阵推导：（可以查阅高等数学方向余弦，矩阵论中的旋转矩阵等资料）公式（1）公式（2）2.4非线性模型由于作用到飞行器上的合力和合力矩是四个螺旋奖所产生的力与力矩的矢量和,因此,他们之间存在极大地交叉耦合特性。
例如,横滚(俯仰)力矩的改变将会对侧向(纵向)加速度有一个直接的影响。
四旋翼直升机姿态控制设计
四旋翼直升机姿态控制设计一、课程设计目的1）.熟练掌握运用所学的飞行控制系统的基础知识，深入理解前期所学的专业基础课的原理。
2）.具备独立查阅中英文资料和相应的工程设计手册能力。
3）.能够掌握典型的飞行器的飞行控制系统的设计过程，包括方案的选择，姿态控制系统，包括电机伺服系统等方案的设计，误差分析等。
4）.具备熟练使用matlab语言的技能。
5）.能够对所设计的系统进行计算机仿真实验，并就仿真结果进行分析研究。
6）.对造成的系统误差的因素进行分析，改进系统设计。
二、四旋翼直升机的基本工作原理在无人直升机中，四旋翼直升机凭借其独特的的外形和结构成为国内外机构研究的热点。
与常规的布局的单旋翼直升机相比，四旋翼直升机可以使用相对较小的旋翼。
这就减小了直升机碰到其他障碍物的可能性，提高了其飞行的安全性。
此外，四旋翼直升机没有单旋翼直升机的自动倾斜器和尾桨，机械结构相对比较简单。
图四旋翼直升机结构示意图四旋翼直升机的结构如图所示。
从图中可见，当前旋翼和尾旋翼顺时针旋转，左旋翼和右旋翼逆时针旋转，并且四个旋翼转速一致，产生的升力之和等于直升机自重时，直升机可以实现静态悬停。
如果产生的升力同时增加和减少，那么四旋翼直升机可以实现上升或者下降。
当前旋翼和尾旋翼加速且左旋翼和右旋翼减速，同时四个旋翼产生的升力和直升机自重相等时，由于存在扭矩差，可导致直升机的偏航运动。
当前旋翼加速，尾旋翼减速而左旋翼和右旋翼的旋转速度保持不变时，四旋翼直升机可以实现X轴的滚转运动，即俯仰运动。
同理，也可实现Y轴的滚转运动，即滚转运动。
基于如上几种基本运动，四旋翼直升机可以实现前飞，侧飞以及其他复杂运动。
如图上所示，定义α={X E,Y E,Z E}为地面惯性坐标系，β={X B,Y B,Z B}为原点在飞机质心并且与四旋翼飞行器固连的机体坐标系。
定义向量η=[θ,ϕ,ψ]T表示直升机的三个姿态角：俯仰角θ，滚转角ϕ，偏航角ψ。
这三个欧拉角决定了直升机从惯性坐标系α到机体坐标系的转换矩阵β。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器是一种由四个旋翼组成的无人机，可以垂直起降和定点悬停，具有灵活性和机动性。
它的飞行控制技术可以分为姿态控制和位置控制两种基本类型。
姿态控制是指控制飞行器姿态（包括横滚、俯仰和偏航），而位置控制则是控制飞行器的定点飞行或航线飞行。
下面将对这两种控制技术进行详细介绍。
一、姿态控制技术1. 传统PID控制PID控制是一种经典的控制方法，它通过比例、积分和微分三个分量的组合来调节系统的输出。
在四旋翼飞行器中，PID控制可以用来控制姿态，使飞行器保持平稳的飞行状态。
通过对角速度和角度的反馈控制，可以实现对飞行器姿态的精确控制。
但是PID控制也存在一些问题，比如对于非线性系统和参数变化的系统，PID控制的性能会受到影响。
2. 模糊控制模糊控制是一种可以应对非线性系统和模糊环境的控制方法。
在四旋翼飞行器中，可以利用模糊控制来实现对姿态的精确控制。
通过建立模糊规则库，可以将模糊的输入与输出进行映射，实现对飞行器姿态的控制。
模糊控制可以有效地应对系统的非线性特性，但是对规则库的设计和参数的选择需要较大的经验和技巧。
3. 神经网络控制4. 遗传算法控制遗传算法是一种模拟生物进化的优化算法，可以用来优化系统的控制参数。
在四旋翼飞行器中，可以利用遗传算法来寻找最优的姿态控制参数，从而实现对飞行器姿态的精确控制。
遗传算法能够全局寻优，但是需要大量的计算资源和较长的优化时间。
1. GPS定位控制GPS定位是一种全球定位系统，可以实现对飞行器位置的精确控制。
在四旋翼飞行器中，可以利用GPS定位进行位置控制，实现定点飞行或航线飞行。
通过GPS模块获取飞行器的位置信息，可以实现对飞行器位置的精确控制。
但是GPS在室内或密集城市地区信号可能不太可靠。
3. 惯性导航控制惯性导航是一种通过加速度计和陀螺仪获取飞行器运动信息，并通过积分计算得到飞行器位置信息的导航方法。
在四旋翼飞行器中，可以利用惯性导航进行位置控制，实现对飞行器位置的精确控制。
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四旋翼直升机飞行控制系统设计
四旋翼直升机具有4个呈交叉结构排列的螺旋桨，其独特的构型能够满足复杂环境中的任务需求。
文中设计了一种四旋翼直升机飞行控制系统软硬件方案，通过传感器实时采集四旋翼的姿态、高度、位置等信息，采用PID算法设计飞行控制律，以ARM Cortex—M3内核高性能单片机作为主控制器。
最后采用CVI开发的地面站软件实现在线数据采集与调参，并通过实际飞行验证了本方案的可行性与稳定性。
四旋翼飞行器(Ouadrotor，Four-rotor，4rotors helicopter，X4-flver等)是一种特殊构型的电动可遥控微型飞行器，它是由4个螺旋桨驱动，通过4个螺旋桨的差速来完成姿态控制。
四旋翼飞行器与其他类型的无人机相比具有许多优点，其中主要是其可垂直起降及机动性强等性能，能够适应各种复杂环境。
因此四旋翼飞行器在民用产品、军事武器等各方面有着广泛的应用前景。
文中将介绍四旋翼飞行器控制系统的软硬件设计方案与实现。
1飞行控制系统总体设计
四旋翼飞行器控制系统的设计主要包括主飞行控制板和相关外围电路，结合惯性传感器、超声波传感器、GPS接收机、无线数传模块，并配套自行开发的地面站软件设计实现一套完整的四旋翼飞行器自主飞行控制系统。
四旋翼飞行器飞行控制系统的开发内容主要包括：飞控板及外围电路设计，传感器底层驱动开发，PWM控制信号的混控输出，飞行控制律程序设计以及地面站软件的设计与开发。
飞控系统的总体设计方案如图1所示。
系统核心控制器为一款基于ARM cortex—M3内核的单片机；惯性测量元件(IMU)主要提供解算飞行器姿态的数据等信息；高度传感器采用超声波传感器，输出相对地面的高度信息；接收机接收遥控器发出的杆量信号，这些信号将用于控制器的输入；GPS接收机输出飞行器的位置信息；无线数据传输模块用于飞行器与地面站的数据通信。
传感器信息经过飞行控制律的运算处理，最终通过PWM信号输出至电子调速器，用来控制四个电机的转速，以实现姿态、位置与高度的控制。
地面通过无线数传实时传回飞行器信息用以检测飞行器飞行状态，同时地面站也可以向飞行器发送控制指令。
图2四旋翼飞行器机架
四旋翼飞行器的机架选用了市面上做工比较好的Xaircraft-650，其优点是各个组件采用模块化设计，方便拆卸和损耗更换，同时较高的起落架设计方便在飞行器底部搭载相关传感器设备。
四旋翼飞行器的机架如图2所示。
2飞控系统硬件设计
2．1飞控核心板设计
飞控板的主控芯片选用意法半导体公司的ARM Cortex—M3内核的单片机STM32。
其功
耗低，最高工作频率72MHz，拥有512K字节的闪存程序存储器和高达64K字节的SRAM，最多可达112个快速I／O端口，多达4个16位定时器，5个USRAT、3个SPI、2个I2C、1个CAN、1个USB2．0全速接口。
具有优异的实时性能，同时拥有丰富而规范的固件库，适合飞控板的开发。
图3最小系统电路设计
飞控板采用最小系统加全部接口引出的设计，即保证系统能够正常工作的前提下，引出所有扩展接口以方便后续实验开发的功能扩展。
主控芯片STM32F103的最小系统原理电路设计框图如图3所示，由于主芯片需要3．3V电压供电，所以采用稳压芯片产生3．3V电压，还需加电容对稳压后的电压进行滤波。
在保证正确供电和正确接地的同时，需外加两个晶振电路。
其中8M晶振作为系统外部时钟，起振后为系统提供时钟信号：32．768K晶振主要用于系统的实时时钟RTC电路；引出所有引脚以供扩展之用，同时设计了外部复位电路。
2．2传感器数据采集及通信接口设计
2．2．1组合导航系统数据采集
组合导航系统采用了惯性导航与全球卫星定位系统(GPS)相结合的方案，二者能够弥补相互的不足，为无人机提供可靠性好，自主性和精确度高的导航信息。
其中惯性导航系统选择了基于MEMS技术的惯性传感器，结合卡尔曼滤波算法和四元数法及三轴磁力计温度补偿进行姿态解算和估计。
传感器的输出为数字信号，通过串口发送数据。
由于STM32片内集成串口，因此设计RS232电平与TTL电平转换电路以实现数据通信。
电平转换电路采用MAX232芯片，电路如图4所示。
2．2．2超声波传感器
用于测量高度的超声波传感器采用SensComp公司的615088传感器，它具有两种模式：触发测距模式和5Hz自动测距模式。
测量范围：0．15～10．7m，测量精度：0．1％。
STM32采用捕获中断方式测得超声波发送的边沿跳变信号与经障碍物反射回来的超声波边沿跳变信号，做差换算得到超声波模块与障碍物的距离。
实测在0．2～10m范围内的距离，其测距误差不超过0.1％，满足四旋翼飞行器飞行的精度要求。
2．2．3无线数传模块
本设计方案所选用的无线数据传输模块有TTL、RS232、RS4853种接口，同时配有USB 转，TTL模块，在开阔地的传输距离可达800m。
飞控系统主控芯片通过无线数据传输模块与上位PC机进行通信，传送由传感器获得的飞行数据到上位PC机以实时监测飞行状态，同时上位PC机也可以向飞行器传送飞行控制指令及相关参数。
2．2．4PWM信号的采集与输出
由于四旋翼飞行器的飞行完全依靠四个电机的转速变化来控制，其不同于固定翼飞机的是滚转、俯仰、偏航以及油门通道均需要通过4个电机联动才能实现对四旋翼飞行器的控制。
因此，需要在油门通道控制信号的基础上叠加其余3个通道信号，混控合成之后的四路信号分别输出至4个电子调速器对各个电机加以控制。
根据四旋翼姿态控制的原理，定义4个电机序号以及机体轴系如图5所示。
图5电机序号以及机体坐标系定义
根据上述分析，电机控制信号混控公式如式(1)所示：
其中△φ=φ-φmid，△θ=θ-θmid，△ψ=ψ-ψmid。
M1，M2，M3，M4分别表示电机1～电机4的控制信号，T表示油门通道控制信号，φ表示滚转通道控制信号，θ表示俯仰通道控制信号，ψ表示偏航通道控制信号，φmid、θmid、ψmid分别表示滚转、俯仰、偏航通道控制信号的中立值。
3飞控系统软件设计
3．1地面站软件设计
为方便监测四旋翼飞行状态，利用CVI软件设计开发了地面PC机惯导数据采集界面，如图6所示。
地面PC机通过无线数据传输模块实时接收四旋翼飞行数据，通过该界面显示四旋翼三轴姿态角，加速度，角速率，经纬度及GPS速度等信息，并实时绘制出三轴姿态角曲线。
3．2控制律软件设计
由于PID控制算法成熟稳定，易于实现，因此本方案飞行控制器的设计采用PID算法。
由于飞控系统为数字系统，因此采取数字PID算法。
数字PID算法如式(2)所示。
程序的实现在此就不赘述。
式中T表示控制器的控制周期，ek表示四旋翼飞控指令与反馈信号的差值，uk表示PID 的输出信号，k表示控制节拍序号，Kp、Ki、Kd分别表示PID控制器的比例、积分、微分项系数。
采用上述算法分别设计飞行器的滚转、俯仰、偏航、定高以及GPS定点的PID控制器。
4系统实现与飞行试验
依据上述的各个部分完成了飞行器硬件平台的搭建和控制算法程序的编写和调试，并反复进行了试飞调参，最终达到了比较理想的效果，实现了飞行器的全自主GPS定点定高定航向悬停，并且在外界强干扰的情况下能够很好地稳定姿态。
飞行器全自主GPS定点定高定航向悬停飞行如图7所示。
图7飞行器全自主GPS定点定高定航向悬停飞行
5结论
文中所设计的四旋翼飞行控制软硬件系统对四旋翼飞行器的飞行控制取得了比较好的效果，通过试飞实验表明，在本飞控系统的控制下，四旋翼具有较好的稳定性，基本达到了设计目标。
同时本设计充分利用了STM32单片机丰富的片内资源，程序均采用模块化设计，稍作修改即可很容易地移植到其他飞行器上，具有较好的可移植性，缩短了系统软硬件的开发周期，为下一步搭载实验各类任务设备奠定了基础。