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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。
四旋翼飞行器的控制系统设计与优化
四旋翼飞行器的控制系统设计与优化一、引言四旋翼飞行器（Quadcopter）作为一种多旋翼飞行器，由于其简单的结构和良好的操控性能，被广泛应用于无人机领域。
控制系统是四旋翼飞行器重要的组成部分，决定了飞行器的稳定性和操纵性。
本文将详细介绍四旋翼飞行器控制系统的设计与优化。
二、四旋翼飞行器的控制方式四电机和对应的螺旋桨通过电调控制转速，产生升力和推力。
四旋翼飞行器通常采用基于PID（Proportional Integral Derivative）的控制方式，通过控制电机的转速以及螺旋桨的角度来调整飞行器的姿态和位置。
三、控制系统的设计1. 传感器模块设计了解飞行器的姿态和位置信息对于控制系统至关重要。
传感器模块通常包括陀螺仪、加速度计和磁力计。
陀螺仪用于测量飞行器绕三个轴的角速度，加速度计用于测量飞行器在三个轴上的加速度，磁力计用于测量飞行器的方向信息。
这些传感器模块需要精确校准，以保证采集到的数据准确可靠。
2. 控制算法设计控制算法是决定飞行器姿态和位置稳定性的重要因素。
常用的控制算法包括PID控制、模型预测控制（MPC）和适应性控制等。
PID控制是基于误差的比例、积分和微分项，通过调整系数来实现对飞行器的控制。
MPC控制是一种基于飞行器数学模型的预测控制方法，通过优化控制信号来实现飞行器运动的最优化。
适应性控制是根据飞行器的实际状态进行动态调整，适应环境变化和干扰。
四、控制系统的优化1. 参数调优控制系统中的参数是影响飞行器响应和稳定性的关键因素。
通过调整参数，可以优化飞行器的控制性能。
一般来说，参数调优是一个迭代的过程，可以通过实验和仿真来进行。
常用的参数调优方法包括试错法和自适应算法。
2. 增强控制系统稳定性为了提高飞行器的稳定性，可以采取一些增强控制系统稳定性的措施。
例如，增加控制环路的带宽，提高控制系统对高频信号的响应；使用卡尔曼滤波器进行信号融合，改善传感器数据的精度和一致性；采用纠错码等方式提高系统的鲁棒性。
基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计
基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计引言：四旋翼无人机近年来逐渐走向商业化和日常生活化，广泛应用于航拍、货运、农业等领域。
为了保证飞行器的平稳、安全飞行，需要设计一个可靠的控制系统。
本文基于STM32单片机，设计了一种适用于四旋翼飞行器的控制系统。
一、硬件设计1.主控板主控板采用STM32单片机，该单片机具有高性能、低功耗、强大的控制能力等优势。
它能够完成飞行器的数据处理、控制输出等任务。
2.传感器为了获取飞行器的姿态信息，需要使用加速度传感器和陀螺仪。
加速度传感器用于测量飞行器的加速度，陀螺仪用于测量飞行器的角速度。
这些传感器通常被集成在一块模块上，直接连接到主控板。
3.遥控器为了实现飞行器的遥控操作，需要使用遥控器。
遥控器通过无线通信与主控板进行数据传输，控制飞行器的起降、悬停、转向等操作。
4.电源管理飞行器控制系统需要提供可靠的电源供电。
因此，需要设计一个电源管理模块，包括锂电池、电池充电管理电路和电源开关等。
二、软件设计1.姿态估计通过加速度计和陀螺仪的数据，使用滤波算法（如卡尔曼滤波）对飞行器的姿态进行估计。
根据姿态的估计结果，可以计算出飞行器的控制输出。
2.控制算法针对四旋翼飞行器，常用的控制算法有PID控制算法和模糊控制算法。
PID控制算法通过比较飞行器的期望姿态和实际姿态，计算出相应的控制输出。
模糊控制算法可以根据模糊规则和模糊集合来计算出控制输出。
3.通信模块为了实现与遥控器之间的无线通信，需要使用无线通信模块，例如蓝牙模块或者无线射频模块。
通过与遥控器进行数据传输，可以实现遥控操作，并接收遥控器发送的命令。
三、控制流程1.初始化飞行器启动时，首先进行传感器的初始化，包括加速度传感器和陀螺仪的初始化。
然后进行电源管理的初始化，确保电源供电正常。
2.传感器数据采集通过传感器采集飞行器的姿态数据，包括加速度和角速度。
3.姿态估计根据传感器采集的数据，使用滤波算法对飞行器的姿态进行估计。
基于ARM内核单片机的四旋翼直升机飞行控制系统设计
基于ARM内核单片机的四旋翼直升机飞行控制系统设计关键字：ARM内核单片机飞行控制图为：STM32物联网云应用开发板摘要：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。
关键词：四旋翼直升机；飞行控制；单片机；惯性导航系统四旋翼飞行器(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。
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计1. 引言1.1 研究背景四旋翼飞行器是一种具有垂直起降能力和灵活操控特性的无人飞行器，近年来在军事、民用航空领域得到广泛应用。
四旋翼飞行器的飞行控制系统仍然是一个挑战性问题，需要不断的研究和改进。
在过去的几十年里，飞行控制系统技术取得了巨大的进步，从传统的PID控制方法到现代的神经网络控制和模糊控制方法，不断地推动着飞行器飞行性能的提升。
在四旋翼飞行器这种特殊结构的飞行器上，如何设计一套高效稳定的飞行控制系统仍然是一个值得研究的课题。
通过对四旋翼飞行器的飞行控制系统进行研究与设计，可以进一步提高其飞行性能、安全性和自动化程度，为未来无人机飞行技术的发展奠定基础。
本研究旨在探讨四旋翼飞行器飞行控制系统的设计原理和方法，为实现四旋翼飞行器的稳定飞行和智能控制提供技术支持。
1.2 研究目的研究目的主要是为了探索四旋翼飞行器飞行控制系统的设计与优化方法，以提高飞行器的稳定性、灵活性和控制精度。
本研究旨在深入分析传统飞行控制方法和先进飞行控制方法的优缺点，结合四旋翼飞行器的特点，提出有效的飞行控制系统设计方案。
通过实验验证，验证设计方案的有效性和实用性，进一步完善飞行控制系统的性能。
最终目的是为了提高四旋翼飞行器的自主飞行能力和应用领域的拓展，推动飞行器技术的发展和应用。
希望通过本研究的成果，为未来四旋翼飞行器的设计与控制提供参考和指导，为飞行器的性能优化和智能化发展做出贡献。
2. 正文2.1 飞行控制系统概述飞行控制系统是四旋翼飞行器的重要组成部分，它负责控制飞行器的姿态、位置和飞行参数，以确保飞行器稳定、安全地飞行。
飞行控制系统的设计和实现是四旋翼飞行器研究的关键内容之一。
飞行控制系统通常由传感器、执行器和控制算法组成。
传感器用于测量飞行器的姿态、位置、速度等信息，将这些信息传输给控制算法。
控制算法根据传感器数据计算出合适的控制指令，通过执行器控制飞行器的动作，实现飞行器的姿态和飞行参数控制。
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计
四旋翼飞行器是一种由四个旋翼组成的无人飞行器，具有升降、俯仰、横滚和偏航等
飞行能力，广泛应用于军事、民用等各个领域。
飞行控制系统是四旋翼飞行器的核心部分，负责控制飞行器的飞行动作和稳定性。
飞行控制系统需要实现飞行器的基本动作控制，包括升降、俯仰、横滚和偏航。
升降
通过控制四个旋翼的转速来实现，俯仰和横滚通过改变旋翼的倾斜角度来实现，偏航通过
改变旋翼的转速差来实现。
飞行控制系统需要根据飞行器的姿态、位置和速度等参数，计
算出适当的控制量，并通过电动调节器或电动转子来实施控制。
飞行控制系统需要实现飞行器的稳定性控制。
由于四旋翼飞行器具有较高的自由度和
灵活性，所以很容易出现不稳定现象。
飞行控制系统需要通过检测飞行器和环境的状态信息，计算出适当的控制量，使飞行器保持稳定飞行姿态。
姿态稳定控制主要通过控制旋翼
转速的反馈来实现，位置和速度稳定控制主要通过控制位置和速度的反馈来实现。
飞行控制系统还需要实现飞行器的导航和定位功能。
导航功能包括路径规划、航迹跟
踪和障碍物避障等，定位功能包括位置估计和姿态估计等。
导航和定位功能可以通过各种
传感器和算法来实现，如惯性测量单元、全球定位系统、气压高度计等。
四旋翼飞行器的飞行控制系统是一个复杂的系统工程，需要集成多种传感器和算法，
实现飞行动作控制、稳定性控制和导航定位等多种功能。
随着人工智能和自动化技术的发展，飞行控制系统将更加智能化和自动化，为四旋翼飞行器的飞行提供更好的保障。
四旋翼飞行器飞行控制系统设计
四旋翼飞行器飞行控制系统设计四旋翼飞行器是一种多旋翼飞行器，它采用四个对称分布的电机和旋翼进行垂直起降和悬停，同时通过变化电机转速和旋翼叶片的角度控制飞行方向和姿态。
四旋翼飞行器具有结构简单、起降和悬停稳定等优点，因此被广泛应用于航拍、救援、监测等领域。
在四旋翼飞行器的设计中，飞行控制系统是关键部件，其设计的优劣直接影响着飞行器的性能和安全。
四旋翼飞行器的飞行控制系统由传感器、控制计算单元和执行机构组成。
传感器用于获取飞行器的状态信息，控制计算单元接收传感器信息并进行数据处理和算法计算，最后通过执行机构控制飞行器的运动。
常见的传感器包括加速度计、陀螺仪、气压计和磁力计等，它们可以实时测量飞行器的加速度、角速度、高度和方向。
控制计算单元一般由微处理器或嵌入式系统组成，具备数据处理、算法计算和通信等功能。
执行机构则由四个电机和旋翼组成，通过改变电机转速和旋翼角度实现飞行器的姿态控制和运动。
飞行控制系统的设计需要考虑飞行器的稳定性和操控性。
在稳定性方面，需要设计合适的控制算法使得飞行器能够在各种外界干扰下维持稳定的飞行。
常见的控制算法包括PID控制和模糊控制等，其中PID控制通过调节比例、积分和微分三个参数实现对飞行器状态的控制。
在操控性方面，需要设计合适的操控方式和灵敏度，以便操纵员能够轻松控制飞行器完成特定任务。
常见的操控方式有手柄操控、遥控器操控和手机APP操控等。
飞行控制系统设计中还需要考虑传感器的准确性和响应速度。
传感器的准确性决定了飞行控制系统对飞行器状态的判断和控制的准确性，因此需要选择准确度高的传感器。
传感器的响应速度决定了飞行器对外界干扰的响应速度，因此需要选择响应速度较快的传感器。
此外，飞行控制系统还应具备故障检测和容错能力，以提高飞行器的安全性。
一旦发生故障，控制计算单元应能够及时检测故障并采取应急措施，例如自动返航或降落等。
综上所述，四旋翼飞行器的飞行控制系统是整个飞行器设计中的关键部件。
微型四旋翼无人机控制系统设计与实现
微型四旋翼无人机控制系统设计与实现微型四旋翼无人机控制系统设计与实现一、引言随着无人机技术的快速发展，微型四旋翼无人机因其体积小、机动性强、操作简单等特点而备受关注。
本文将介绍微型四旋翼无人机的控制系统设计与实现，包括硬件结构设计、飞行控制算法、遥控器与无人机的通信以及飞行状态监测等方面的内容。
二、硬件设计微型四旋翼无人机的硬件结构由四个电机和相应的螺旋桨组成，同时还包括飞控、电池、传感器和通信模块等。
电机通过螺旋桨产生推力，控制无人机的飞行方向和姿态。
飞控是无人机的大脑，通过接受传感器数据并进行计算，控制电机输出相应的信号以实现飞行任务。
虽然整个系统设计较为复杂，但由于无人机体积小，所以硬件结构相对较简单。
三、飞行控制算法微型四旋翼无人机的飞行控制算法通常包括姿态控制和高度控制两部分。
姿态控制通过测量无人机的姿态角度，并计算出所需的姿态角度偏差，然后通过PID控制器调整电机的转速，从而实现姿态的稳定控制。
在姿态控制的基础上，高度控制通过测量无人机的高度，并计算出所需的高度偏差，然后通过PID控制器控制推力大小来调整飞行高度。
四、遥控器与无人机的通信遥控器是无人机和操作员之间的重要媒介，通过遥控器操作，操作员可以实现对无人机的遥控飞行。
遥控器通过无线通信方式与无人机进行数据的传输，包括指令的发送和无人机状态的接收。
在通信方面，常用的方式有无线电通信和蓝牙通信，通过指令的传输和接收，操作员可以实时了解无人机的状态，从而对无人机进行精确的操作和控制。
五、飞行状态监测飞行状态监测是无人机飞行过程中的重要环节，通过监测无人机的各项指标来实时反馈无人机的飞行状态。
常见的监测指标包括无人机的姿态角度、高度、速度、电池电量等，这些指标可以通过传感器的测量得到。
操作员通过监测无人机的飞行状态，可以及时调整飞行控制算法参数，以确保无人机的顺利飞行。
六、结论通过本文的介绍，我们对微型四旋翼无人机的控制系统设计与实现有了初步的了解。
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邱丽
飞行控制系统总体设计
一、四旋翼飞行器选型 二、四旋翼飞控器控制的特点 三、四旋翼飞行控制系统的基本工作原理 四、飞行控制器总体结构 五、四旋翼飞行器模型 六、姿态解算 七、控制算法：PID控制、滑模控制、鲁
棒控制、Kalman滤波等
一、四旋翼飞行器选型
(Kd Kl
U
4
K a fz
)/
Iz
输出量
输入量
U 1 控制三个位置x，y，z；U 2 控制横滚角 ；U 3 控制俯仰角 ；U 4 控制偏航角
六、捷联惯性导航—姿态解算
硬件
加速度计、陀螺仪、数字罗盘 加速度计输出基于载体坐标系的加速度，数字罗盘输出基
于载体坐标系的磁场强度，二者结合可解算出三轴姿态角 （横滚、俯仰、偏航） 陀螺输出三个轴向的角速度，积分运算得到载体的姿态角
三、四旋翼飞器系统的基本工作原理
四旋翼飞行器飞行控制系统简图
四、四旋翼飞控系统总体结构
整个飞行控制系 统包括传感器 模块、四电机 控制模块、中 心控制模块、 无线通信模块 和地面控制站 等部分
五、四旋翼飞行器平动动力学模型
平动动力学模型
m—四旋翼直升机质量
—直升机平动位置， =[x y z]’
七、多传感器融合—卡尔曼滤波
计算观测向量
+
vk -
+
Kk+源自选取状态矢量xkCk
Ak-1
Xk|k-1
delay
卡尔曼滤波算法就是预测和修正 的不断递归。预测新的状态和协 方差，然后利用观测向量对状态 和协方差进行修正。
（和海拔、电池、环境有关，需够携带一微 型摄像机）。 尺寸：机身全长、机身宽、机高、旋翼直径。 飞行时间：无线控制 动力：电池供电、四电机驱动
例1：Draganflyer IV级遥控模型主要参数
例2：华科尔4#遥控模型主要参数
华科尔4#是一个闭环控制系统，它把三个陀螺仪作为反 馈来稳定控制滚转、俯仰和偏航。闭环控制有两优点 ：一是机身旋转和操控员命令相对应；二，纠正外部 来的干扰（如：风）
arcsin Ay / g
偏航角 通过数字罗盘得到
*
arctan
YH XH
arctanXcosYYscionssinZsinZcossin
六、陀螺仪解算姿态—状态向量
陀螺仪通过单轴积分法获得三轴姿态角
yk(xb)
x为陀螺仪输出电压， y为旋转角速度 k为输出电压到旋转角速度的比例系数 b为陀螺仪输出电压零点。
F i 的组合简化
简化三角函数
忽略二次项相乘，认为是高阶小项
五、模型简化
x ( U 1 K dtx x ) / m y ( U 1 K dty y ) / m
z (U 1 K dtz y m g ) / m
( d U 2 K afx ) / I x
方案一、买整机改装：重点在控制器的设计、 改善飞行品质上，忽略底层结构设计和模型 搭建琐碎问题。
方案二、买配件后自己组装：大量时间和精力 放在结构设计和零件选取购买上。
建议：方案一，选成熟的“X”型四旋翼飞行器
一、四旋翼飞行器选型
四旋翼飞行器选型需考虑的几个主要参数： 重量：遥控模型重量（含电池）、有效载重量
二、四旋翼飞行器控制的特点
四旋翼飞行器有四个输入力、六个输出（即六 自由度，包括绕三个轴的转动：俯仰、偏航 和滚转，重心三个轴的线运动：进退、左右 、侧飞和升降），所以它是一种欠驱动系统 （少输入多输出系统）。这种系统容易导致 不稳定，需要确保长期稳定的控制方法。
二、四旋翼飞行器控制的特点
四旋翼飞行器的输入就是每个电机的旋转力矩 之和。俯仰运动是由加大（或减小）后端旋 翼速度，同时减小（或加大）前端旋翼转速 来实现的。滚转运动，即加大（或减小）左 侧旋翼转速，同时减小（或加大）右侧旋翼 转速。偏航运动是由加大（或减小）前后旋 翼的转速，减小（或加大）两侧翼的转速来 实现的。
G —重力加速度，G=[0 0 g]’
F f —直升机四个螺旋桨总升力
K
—平动拖拽力系数
dt
五、四旋翼飞行器平动动力学模型
其中
其中，F i —螺旋桨i产生的升力
R 为从地面坐标系到载体坐标系的坐标转换矩阵
五、四旋翼飞行器模型建立
平动动力学模型
转动动力学模型
五、四旋翼飞行器非线性运动方程
五、模型简化
( d U 3 K afy ) / I y
(K d Kl
U
4
K a fz
) / Iz
五、传递函数矩阵
选择后四行进行控制
z (U 1 K dtz y m g ) / m
( d U 2 K afx ) / I x
( d U 3 K afy ) / I y
数据融合
低成本固态陀螺的性能较差，能保证短时间内的测量精度 ，响应速度快，但长时间产生漂移
采用加速度计和数字罗盘联合输出值数据稳定，补偿陀螺 仪的漂移
六、加速度计、数字罗盘解算姿态 —观测向量
速度计可以测得重力加速度在载体坐标系X轴、Y轴 上的分量 A x 、A y ，根据几何关系得到
arcsin Ax / g