多旋翼无人机飞行控制系统设计研究
基于双STM32多旋翼无人机控制系统设计
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随着 科学 技 术 的进步 和 时代 发展 的需 求 ， 无 人 机 无 论 在 军 事 还 是 民 用 领 域 都 具 有 广 泛 的 应 用 前 景 。 近 年 来 ， 对 无 人 机 领 域 的 研 究 已 得 到 国 内 外 各 大 研 究 机 构 的 重视 ， 特 别 是 微 小 型 多 旋 翼 无 人 机 的 研 究 得 到 迅 猛 的 发 展 。微小 型多旋 翼无 人机 可广 泛应 用 于军 事侦 察 、 高 空 拍摄 、 交 通 监控及 自然灾害 勘察 等领域 。 因此 ， 实 现 微 小
多旋翼无人机飞行控制系统设计与实现研究
DOI：10.16661/ki.1672-3791.2017.29.057多旋翼无人机飞行控制系统设计与实现研究①明志舒 黄鹏 刘志强 李乐蒙 高凯（国网山东省电力公司经济技术研究院 山东济南 250000）摘 要:随着社会的进步和国民经济的发展，现代高新科技的发展得到了前所未有的推进，为各行业的进步和发展提供了良好的保障。
近些年来出现的多旋翼无人机，是一种集合多项现代高新科技的成果，具有定点悬停功能，能够实现在现代军事、工业、农业等各个领域的应用。
本文就四旋翼无人机为例，探讨了多旋翼无人机飞行控制系统的设计以及实现。
关键词:多旋翼无人机 飞行控制系统 设计与实现研究 无人机飞行控制系统中图分类号:V249 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2017)10(b)-0057-02①作者简介：明志舒(1983,6—),男，汉族,湖北人,硕士,工程师，研究方向：输变电工程管理。
1 飞行控制系统的硬件设计本文设计的飞行控制系统在硬件方面主要分为控制器、传感器、电源、执行机构和遥控接收等模块，具体论述如下。
1.1 控制器我们利用美国德州仪器公司所研发的TMS320F28335当作控制器当中的主芯片，可以说它是当下功能最为强大的一种芯片，具备对信号加以处理的功能，而且还有嵌入式控制以及针对事件加以管理的功能。
该芯片的外部接口基本原则为：将飞控系统作为基础而定。
该芯片不管是在引脚数目上，还是在引脚功能方面都非常贴合飞控系统的全部要求，所以说只要针对芯片的接口加以少量地拓展就可以了。
其主要的特征为：(1)利用到了哈弗总线结构。
(2)其代码安全模块利用到了128位密码对Flash加以保护，保证相关寄存器在数据方面的安全。
(3)T MS320F28335的应用，实现了对开发时间大幅度的节约，这主要是其利用到了目前应用比较广泛的C/C++语言。
(4)1K×16 OTP ROM以及8K ×16形式的Boot ROM，供给出了两个用于采样的电力，继而实现了对两个通道上信号实施的同步采集，所以有着非常高效的处理能力以及运算的精度，确保了信号所具备的时效性以及高速性。
无人机应用知识：无人机多旋翼控制系统分析与设计
无人机应用知识：无人机多旋翼控制系统分析与设计随着无人机技术的发展和应用领域的扩大，无人机控制系统及其相关技术已经成为无人机研究和应用中不可或缺的一部分。
本文旨在分析和探讨无人机多旋翼控制系统的基本原理、工作过程以及相关的设计方法和技巧。
一、多旋翼控制系统基本原理多旋翼无人机控制系统可以分为四个部分：传感器、控制器、执行机构和电源。
其中传感器负责获取无人机的运动状态数据，控制器则根据传感器数据计算出运动控制信号，执行机构负责根据控制信号对无人机进行控制，电源则提供控制系统和执行机构所需的能量。
在多旋翼控制系统中，最基本的控制方式是PID控制。
PID控制根据当前偏差量，即参考信号和实际输出的差值，通过比例积分微分计算出控制信号，然后输出给执行机构对无人机进行动态调整。
二、多旋翼控制系统工作过程在多旋翼无人机起飞时，传感器系统通过加速度计、陀螺仪等获取无人机的各项运动参数，控制器则根据这些传感器数据计算出控制信号，通过电调控制无人机电机工作，从而完成飞行动作。
控制器系统根据预设好的姿态角和控制策略计算出欲输出的控制信号，该控制信号会载波调制，以无线电的方式传输给无人机上面的电调（电调是用于调节电机的电压、电流和功率，控制电机加减速的装置），电调接收到控制信号后再将处理后的指令信号传递给电机，从而实现对无人机运动状态的调整。
三、多旋翼控制系统设计方法与技巧1、传感器选择：重要的无人机传感器包括加速度计、陀螺仪、罗盘等。
这些传感器需要具备高精度、高稳定性、低功耗等特点，才能保证控制系统的准确性和鲁棒性。
2、控制器算法优化：为了更好的控制无人机，需要考虑采用更加高效、准确的PID算法。
一般来说，需要优化参数、增加控制算法等方法来提升控制算法的性能。
3、执行机构选择：执行机构包括电机、电调等。
需要考虑其所需要的功率、重量、响应速度等因素，以及相关的信号输入接口和管理软件等因素，才能满足无人机的特定需求。
4、系统稳定性：为了保证无人机控制系统的稳定性，需要对传感器、控制器和执行机构等部分进行调试和验证。
无人机设备中的飞行控制系统设计与实现
无人机设备中的飞行控制系统设计与实现随着科技的发展和无人机市场的迅速扩大，无人机设备已经成为多个领域的重要工具和应用。
无人机的飞行控制系统是其核心组成部分，它负责飞行控制、导航、安全保障和性能优化等任务。
本文将探讨无人机设备中飞行控制系统的设计与实现，以帮助读者更好地了解无人机的工作原理和控制系统的关键技术。
无人机飞行控制系统的设计需要考虑多个因素，包括飞行器的类型和用途、飞行环境、控制算法和通信技术等。
首先，针对不同类型的无人机，需要选择适合的控制系统架构和硬件平台。
常见的无人机类型包括多旋翼、固定翼和垂直起降等，它们的控制系统设计有所差异。
例如，多旋翼无人机通常采用多个电机来实现飞行控制，而固定翼无人机则依靠传统的航空控制理论来实现飞行稳定。
无人机的用途也会影响其飞行控制系统的设计，如航拍摄影、搜救救援和农业植保等。
其次，无人机飞行环境对控制系统的要求也是设计的重要考虑因素之一。
在不同的飞行环境下，无人机需要应对不同的飞行动态和环境干扰。
例如，在强风环境下，无人机需要具备较强的抗风能力和稳定性，并能自主调节航向和高度。
此外，无人机在复杂的室内环境或封闭空间中飞行时，需要采用特殊的感知和定位技术，如激光雷达、视觉识别和惯性导航等。
在飞行控制算法方面，无人机设备通常采用传统的PID控制算法或更高级的自适应控制算法。
PID控制算法通过比较实际状态和目标状态的差异，计算出相应的控制输出，以实现飞行器的稳定和精准控制。
自适应控制算法能够根据飞行器的动态特性和环境变化，自主地调节控制参数和控制策略，以提高系统的鲁棒性和适应性。
在实际设计中，往往需要根据实际应用场景和性能需求，选择合适的控制算法。
除了控制算法，无人机飞行控制系统还需要具备相应的感知和定位能力。
感知技术可以通过传感器获取周围环境的信息，如气压传感器、加速度计和陀螺仪等。
定位技术用于实现无人机的位置和姿态估计，这对于飞行器的导航、轨迹规划和目标追踪至关重要。
多旋翼无人机的控制原理
多旋翼无人机的控制原理多旋翼无人机是由多个电动机和旋翼组成的飞行器，它的控制原理包括飞行器姿态控制、定位导航控制和飞行速度控制。
飞行器姿态控制是通过控制每个旋翼的转速来控制飞行器的姿态，以实现稳定的飞行。
在飞行过程中，通过改变旋翼转速可以改变飞行器的姿态，如前后倾斜、左右倾斜、俯仰和偏航等。
通过精确调整不同旋翼的转速，可以达到控制飞行器姿态的目的。
一般情况下，多旋翼无人机使用四个旋翼，即四旋翼结构，其中两个对角旋翼旋转方向相同，另外两个对角旋翼旋转方向相反。
通过不同旋翼的转速组合和调整，可以使飞行器保持平衡姿态。
定位导航控制是为了让飞行器能够按照预定的航线进行自主飞行。
无人机一般通过全球定位系统（GPS）等定位设备获取自身的位置信息，并结合惯性测量单元（IMU）获取飞行器的姿态信息，以实现精确定位和导航。
根据设定的目标点，飞行控制系统会计算飞行器当前位置与目标点之间的距离和角度偏差，然后根据这些偏差调整飞行器的转向和姿态，达到自动飞行的目的。
此外，飞行器还可以通过使用避障传感器等装置来避免与障碍物碰撞，确保安全飞行。
飞行速度控制是为了控制飞行器的速度，使其能够按照要求的速度进行飞行。
控制飞行器的速度可以通过改变旋翼的转速来实现。
增加旋翼的转速可以使飞行器加速，减小转速则可以使飞行器减速。
在控制飞行速度时，需要考虑飞行器的姿态和环境因素（如风速、气流等），以实现精确的速度控制。
多旋翼无人机的控制原理是通过调整旋翼的转速来实现姿态控制、定位导航控制和飞行速度控制。
通过合理设计控制系统和传感器装置，飞行器可以实现自主飞行、稳定飞行和精确控制的能力。
这使得无人机在各种应用领域都有着广泛的应用前景，如农业植保、物流配送、环境监测等。
当然，无人机的控制原理还可以根据具体需求进行改进和优化，以实现更高的飞行性能和控制精度。
水空两栖多旋翼无人机运动控制系统设计与实践
◼引言无人机和无人船具有机动性强、灵活性高、成本低等特点，已作为一种新型的水域监测手段[1-2]。
但是，无人机空中自主飞行续航能力弱，无人船水面航行遇到障碍无法前行等情况，影响了应用任务完成。
借鉴军事两栖多功能理念，研究者展开了对两栖甚至多栖无人机平台的研究[3]。
水空两栖无人机是一种能够在水面起降和航行停泊的特殊无人机[4]，即具备无人机的空中飞行和无人船的水面航行能力，不仅能悬停空中执行高空任务，还能漂浮在水面执行水上任务[5]。
本文研究对象为水空两栖多旋翼无人机，主要涉及两栖无人机外形、硬件、姿态解算和运动控制等设计。
运动控制是两栖无人机执行作业任务的基础条件。
因此，有必要着重分析研究两栖无人机的运动控制系统。
◼一、水空两栖无人机（一）基本情况两栖无人机由无人机本体和地面控制端两部分构成，能够在水面和空中两栖运动，具有姿态和高度控制飞行、水上航向航速控制航行、水上垂直起降等功能。
本体又可分为机体结构、动力系统和控制系统，机体结构由无人机机体、船体及结构件等组成；动力系统由电调、电系统设计与实践"吴忧 叶国平（安徽师范大学附属中学，安徽 芜湖 241001）摘要：水空两栖多旋翼无人机以适应水上和空中不同工作环境的优点在水域监测方面得到广泛应用，其运动控制是执行作业任务的基础条件，运动控制系统研究逐渐受到开发者重视。
通过结合四旋翼无人机和无人船的姿态控制方法，基于运动控制原理和PID控制算法的分析，对两栖无人机控制系统两种运动模式的控制律进行设计，以及控制系统软件程序开发，经测试验证了设计的可行性。
关键词：水空两栖；多旋翼无人机；运动控制系统；串级PID作者简介： 吴忧，安徽芜湖人，安徽师范大学附属中学学生，主要研究方向为计算机技术及应用，中国计算机学会（CCF）学生会员，多次获得CSP-J/S比赛一等奖。
叶国平，安徽桐城人，大学本科，中共党员，中学高级教师，信息学竞赛国家十大钻石指导教师，CCF WCET执行委员。
基于双STM32多旋翼无人机控制系统设计
基于双STM32多旋翼无人机控制系统设计摘要：随着我国经济建设的飞速发展，科学技术突飞猛进的飞速发展也是有目共睹的，本文分析了基于双STM32芯片控制系统的具体设计方案，主从控制器为两个STM32F107VCT6芯片，数据通信经过高速SPI接口，保证了数据控制的实时性。
同时，本文合并介绍了系统的硬件设计方案，双STM32多旋翼无人机控制系统的设计优良，可以为后续复杂的运算提供更多可行的操作平台，提高了系统的运行功能，以期为此后无人机控制系统的具体设计提供更多的借鉴依据。
关键词：双STM32；多旋翼；无人机；控制系统；设计引言在科学技术不断发达的进程中，多旋翼无人机自身具有的气动结构布局逐渐完善，飞控技术也得到较大进展，在无人机飞行控制的时候，关键是无人机控制的相关设计，也就是控制律。
无人机飞行轨迹控制和姿态控制属于无人机飞控系统的两个方面，只有加强控制系统才可以促使多旋翼无人机飞行轨迹得到有效控制，因此也可以充分说明姿态控制律设计是轨迹规划的主要基础。
飞控系统是多旋翼无人机的核心内容，而姿态控制系统则属于飞控系统的核心，因此多旋翼无人机飞行姿态控制律在设计的情况下，这也就成为关乎其控制结果的重要内容。
在新技术发展的基础上所出现的新控制理论和控制算法，新理论可以比较轻易的解决以往多旋翼无人机设计方面所具有的技术难题，有效解决以往固定翼无人机飞行控制理论问题。
1多旋翼无人机的特点多旋翼无人机主要指的是对称结构的旋翼飞行器，驱动力为无刷电机旋翼产生的升力，主要依靠旋翼不同的升力保持不同的飞行姿态。
四旋翼、六旋翼以及八旋翼均属于多旋翼无人机的样式，虽然旋翼个数各不相同，但其具备相同的飞行原理。
在实际飞行过程中，无人机围绕X、Y、Z三个方向进行转动与移动，分别具备俯仰运动、偏航运动以及滚转运动的方式。
以四旋翼无人机为例，分析其运动原理。
四旋翼无人机相隔旋翼的旋转方向相同，但相邻旋翼的旋转方向相反，可以在飞行时抵消电机的反转力矩，避免出现悬浮自转问题，从而产生偏航运动。
我国军用小型多旋翼无人机设计工艺
我国军用小型多旋翼无人机设计工艺随着科技的不断发展，无人机作为一种重要的军事装备，已经在我国军队中得到广泛应用。
其中，军用小型多旋翼无人机作为一种灵活、快速且具有优秀机动性能的装备，受到军方的高度关注。
本文将介绍我国军用小型多旋翼无人机的设计工艺，以及其在军事领域中的应用。
军用小型多旋翼无人机的设计工艺需要考虑多个方面的因素。
首先是机身结构设计，要确保无人机的轻量化和结构强度，以提升其飞行性能和抗风能力。
其次是动力系统设计，要选择高效、可靠的动力装置，使无人机具备长时间飞行的能力。
同时，还需要考虑导航系统、通信系统、传感器等各个子系统的设计，以实现无人机的自主飞行和作战能力。
军用小型多旋翼无人机的设计工艺需要注重飞行控制技术的研究和应用。
飞行控制系统是无人机的核心，它能够实现无人机的稳定飞行、自主导航、目标识别和打击等功能。
在设计工艺中，需要充分考虑飞行控制系统的可靠性和精确性，以保证无人机在恶劣环境下的安全飞行和精确打击能力。
军用小型多旋翼无人机的设计工艺还需要考虑飞行器材料的选择和加工工艺的研究。
由于无人机在军事作战中需要承受较大的载荷和外力冲击，所以材料的强度和耐久性是设计中的重要考虑因素。
同时，加工工艺的研究也是提高无人机性能和降低制造成本的关键。
因此，需要结合材料特性和制造工艺，选择适合的加工方法，以确保无人机的质量和性能。
军用小型多旋翼无人机的设计工艺在军事应用中发挥着重要作用。
无人机可以在侦察、目标打击、战场通信等方面发挥重要作用，提高军队的作战能力和战场信息获取能力。
在实际应用中，还需要结合作战需求，对无人机进行性能优化和功能改进，以适应不同的军事任务。
我国军用小型多旋翼无人机的设计工艺是一项复杂而重要的任务。
通过合理的机身结构设计、先进的飞行控制技术、优质的材料和制造工艺，可以提升无人机的飞行性能和作战能力，为我国军队的现代化建设做出重要贡献。
我国军用小型多旋翼无人机设计工艺的不断创新和完善，将进一步推动我国军事装备的发展和军队作战能力的提升。
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实验研究
0 引言
多旋翼无人机是集合多项现代高新科技的成果，无人机
行业的蓬勃发展是中国崛起、中国航空产业崛起的重要体现，多旋翼无人机具有系统安全性好、可靠性高、负载能力强等特点，具有非常广阔的应用前景。
多旋翼无人机的作业方式相比于传统的人工作业方式，大大提高了作业效率、降低作业成本与风险。
在无线通信技术与图像处理技术快速发展的背景下，多旋翼无人机逐渐向智能化的方向发展，另外，
独特的机械结构使多旋翼无人机更加灵活。
随着无人机在人们生活中的进一步普及，无人机故障的影响也会越来越大，在大多数故障中，主要是控制器故障后果最为严重，所以飞行控制器的结构健康管理始终受到人们高度重视。
1 多旋翼无人机任务需求分析
多旋翼无人机飞行控制系统主要服务于公安消防、公共
安全、勘察搜救等领域，对无人机的飞行安全、可靠性等要求较高，针对多旋翼无人机所应用的特殊场合，其飞行控制系统需要具备以下性能指标：
首先要具备机载飞控系统与地面站两部分，由机载飞控
系统来进行控制律的运算，通过电机控制指令对地面站发送的信息进行接收。
地面站会显示无人机当前的飞行状态以及
主控件的基本性能。
其次要具有良好的传感器以及多种飞行模式，传感器主要对无人机飞行姿态、高度、位置等信息进行采集，通过机载计算机对相应数据进行处理，多旋翼无人机存在多种飞行模式，需要根据实际情况选择最佳飞行模式。
最后，多旋翼无人机飞行控制系统要具有多种读取遥控
信号的方式，实现多种多旋翼无人机的飞行控制。
还要具有在线调整及保存相关的控制参数功能、在异常情况下应急处理功能等。
根据多旋翼无人机飞控系统的要求指标，提出了飞控系统具体的设计要求： ■1.1 飞行控制处理器
飞行控制处理器需要对传感数据进行收集并处理，对控制律进行运算，保持与地面站之间通信畅通。
飞行控制处理器只有缩短调节电机转速的指令周期，才能更好的发挥控制
性能。
由于飞行控制处理器面临的任务众多，所以要求飞控处理器处理速度快、计算能力强。
飞控处理器必须快速对传感器数据进行读取，第一时间与无线通信设备进行连接，实
现与地面站之间的通信，另外飞控处理器必须具备存储空间大、低功耗、体积小等特点。
■1.2 传感器
传感器需要选择精度较高的传感器以及通信距离较远
的无线通信设备，满足飞控系统的性能指标，确保传感器使用简单、通信接口通用。
■1.3 软件开发
多旋翼无人机的飞控软件系统要有很强的可靠性与稳
定性，具备通信链路异常状况下的紧急处理，具备相应的备份程序，避免无人机在飞行过程中发生故障，另外地面站要具备故障报警功能。
飞行控制系统的采样频率不易过小以免出现控制输出调节量滞后造成严重后果。
2 多旋翼无人机飞行控制系统总体架构设计
多旋翼无人机飞行控制系统总体架构由机载部分与地面
站部分组成，机载部分主要由飞控处理模块、传感器模块、电
源模块、执行机构构成。
地面部分与机载部分之间的信息交互
主要通过无线通信模块来完成。
飞控系统总体架构如图1所示。
图1 飞控系统总体架构
■2.1 飞控系统硬件平台设计
当前的飞行控制系统控制芯片多采用ARM、DSP 等高
速处理器，单处理器的使用会抑制控制系统的进一步拓展，
多旋翼无人机飞行控制系统设计研究
张建学
（中国民航飞行学院计算机学院，四川广汉，618307）
摘要：多旋翼无人机具有优良的操作性能、维护简单、成本较低等特点，已经成为微小型无人机的主流，获得了广大的消费群体。
飞控系统作为无人机的核心技术，始终是无人机学术与工程领域研究的热点。
本文以多旋翼无人机为研究对象，根据多旋翼无人机的结构特点，对飞行控制系统进行设计与研究，从硬件原理与软件原理对多旋翼无人机飞行控制系统的构建过程进行详细介绍。
关键词：多旋翼；无人机；飞控系统
在运算负荷加重的情况下回影响控制的稳定性。
本文选用STM32F407+STM32F103双ARM架构的控制系统硬件平台，如图2所示。
飞控硬件平台由机载部分与地面部分组成，机载部分由主控制器STM32F407、从控制器STM32F103、传感器以及无线数传共同组成。
传感器由六轴陀螺仪与三轴磁阻传感器组成，能够对多旋翼无人机的飞行姿态数据进行测量。
GPS定位系统能够掌握无人机的飞行位置信息，通过超声波传感器来对高速信息进行测量。
多种信息通过不同的通信接口发送到控制其，实现与地面之间的信息交互。
主控制器会结合不同的任务来执行相应的控制律，解算出的控制指令通过I2C接口传递到控制器。
EEPROM、气压传感器通过I2C总线与主控制器连接，存储无人机相关飞行参数。
从控制器主要对六轴陀螺仪和三轴磁阻传感器的数据进行收集，同时对遥控器信号进行读取，生成电机控制信号，输出到执行机构模块。
■2.2 多旋翼无人机软件系统设计
多旋翼无人机控制软件系统主要作用在于操作者通过对于源代码的编写，将软件语言落实到硬件系统中，使无人机完成相应操作。
在对软件系统进行设计过程中，要划分为主机系统与从机系统，由主机系统来完成数据的采集、控制以及通信等操作，由从机系统来完成数据读写与算法。
2.2.1 OS/II 移植
OS/II 移植的主要作用在于确保处理器与内核之间相连接，从而完成内核所下达的任务。
在对OS/II 内核代码的编写过程中，主要应用C语言对部分有关代码进行编写，确保处理器能够对编写语言进行识别。
OS/II 移植主要是以硬件作为前提条件，所以会受到一定条件的限制，所以在对
控制
IB控制所需的各项参数进行掌握，根据控制器的表达状况来对输出进行控制。
2.2.3 自动返航控制
通过自动返航软件系统，能够实现多旋翼无人机在GPS的辅助下降落到起飞点，一般情况下，无人机的工作环境比较复杂，工作性质存在一定的不可预知性，所以必须对返航策略进行设定，通过遥控器对返航策略进行激活，实现无人机沿设定的路线进行返航。
3 结束语
多旋翼无人机与传统的无人机类别相比，在实际运用中比较显著的优势在于能够垂直起落以及空中悬浮，所以比较适用于空间范围有限或者危险的环境下执行任务。
正是由于多旋翼无人机在实际应用中的低危险与高效率，才推动了多旋翼无人机的快速发展。
多旋翼无人机的飞行控制系统开发会涉及现代化的相关先进技术，在后续的研究设计中，需要进一步对飞控系统的软件功能进行完善，开发更加先进的控制算法，确保飞行控制系统的安全性、可靠性以及功能丰富性。
参考文献
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图2 飞控系统硬件平台
28 | 电子制作 2019年05月。