四旋翼飞行器的飞行控制系统设计
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。
小型四旋翼低空无人飞行器综合设计
3、传感器应用
传感器技术在小型四旋翼低空无人飞行器中扮演着重要的角色。通过使用多种 传感器，可以实现飞行器的定位、导航、控制等功能。为了保证数据的准确性 和可靠性，需要对传感器进行定期校准和维护。
实验结果与分析
通过仿真实验，本次演示提出的混合控制方法取得了显著的实验效果。在轨迹 跟踪实验中，飞行器能够快速准确地跟踪给定的轨迹，具有良好的动态性能和 稳定性。此外，通过与单一控制方法的对比实验，本次演示提出的混合控制方 法在跟踪精度和稳定性方面均表现出明显的优势。
结论与展望
本次演示针对四旋翼无人飞行器的非线性控制问题，提出了一种基于鲁棒控制 和滑模控制的混合控制方法。通过仿真实验验证了该方法的有效性。然而，仍 然存在一些不足之处，例如对飞行器的动态特性分析不够准确、控制系统的实 时性有待提高等。
设计思路
1、总体设计
小型四旋翼低空无人飞行器主要由机身、旋翼、遥控器等部分组成。机身采用 轻量化材料制成，以减小飞行器的重量，便于携带；旋翼则由四个电机驱动， 以实现飞行器的稳定飞行；遥控器则用于控制飞行器的飞行轨迹和高度。
2、硬件设计
硬件配置是小型四旋翼低空无人飞行器的核心部分，主要包括电池、传感器、 遥控设备等。电池选用高容量、轻量化的锂离子电池，以延长飞行器的续航时 间；传感器则采用GPS、加速度计、陀螺仪等，以实现飞行器的定位、导航和 控制；遥控设备则选用2.4GHz遥控器，以实现遥控设备的无线传输。
小型四旋翼低空无人飞行器综 合设计
01 引言
03 参考内容
目录
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。
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杨萌;雷建和;胡廷轩;宫汝林【摘要】四旋翼飞行器控制系统的性能决定了飞行效果的优劣,如何改善飞行控制系统使其拥有更良好的表现成为近几年的研究热点.根据四旋翼飞行器的飞行原理,设计了一种新型四旋翼飞行器控制系统.该系统以STM32作为主控制器,配合各姿态传感器实现飞行器姿态及位置的控制,并结合以姿态角为主要误差源的双环结构PID控制器,提高了飞行器的平稳性.经实际飞行验证,该飞行控制系统方案能够取得较稳定的飞行效果.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2015(034)012【总页数】4页(P76-79)【关键词】四旋翼;飞行控制;STM32;PID控制【作者】杨萌;雷建和;胡廷轩;宫汝林【作者单位】青岛理工大学自动化工程学院,山东青岛266520;青岛理工大学自动化工程学院,山东青岛266520;青岛理工大学自动化工程学院,山东青岛266520;青岛理工大学自动化工程学院,山东青岛266520【正文语种】中文【中图分类】TP391.8目前，以精确的电子技术取代复杂的机械结构已成为一种趋势，四旋翼飞行器（four-rotor）以机载电子设备控制机身的姿态及运动，机械结构得到简化，降低了生产成本及维护成本。
它可以实现垂直起降、悬停等空中动作，飞行速度为每秒几米甚至十几米，具有较高的机动性与操控性，与其他类型飞行器相比具有较明显的优势，在军工、警用、民用等诸多领域有广泛的应用前景。
四旋翼飞行器具有4个输入力，但却有6个状态输出，是一个欠驱动系统，具有非线性、强耦合、多变量等特性，因此对控制器的设计要求较高［1］。
根据四旋翼飞行器结构特点及实际需求，选用意法半导体公司生产的STM32F405RG微处理器作为控制系统的主控制器，其强大的运算处理能力及丰富的片上资源能够满足四旋翼控制的需求。
四旋翼飞行器结构形式是一种最直观、最简单的稳定控制形式。
四旋翼飞行器机身为两根刚性支架呈十字形交叉结构，飞控板、外部设备及电池等安装在支架的交叉处，作为飞行器动力来源的4个电机及旋翼轴对称地安装在支架的4个末端，相邻两个旋翼旋转方向相反，空中平衡飞行时相邻旋翼产生的反作用力相互抵消，防止机身自旋［2］。
四轴飞行器控制系统设计与实现
0 引言四旋翼飞行器最早出现在公众视野可能要追溯到2009年的著名印度电影《三傻》……2010年，法国Parrot公司发布了世界上首款流行的四旋翼飞行器AR.Drone。
作为一个高科技玩具，它的性能非常优秀：轻便、灵活、安全、控制简单，还能通过传感器悬停，用WIFI传送相机图像到手机上。
在航拍领域有着其独特的优势，目前在国内做的比较好的就是深圳的大疆公司，它研发的飞行器操作相对比较简单，飞行稳定性和可玩性都比较高。
但是价格比较贵，目前还无法普及。
本文设计了一种低成本的捷连贯性导航系统，通过多种传感器对飞行姿态进行实时采集，并利用合适的滤波算法对传感器采集的数据进行处理，提高姿态角度的精度。
借助无线数传模块，实现姿态数据的实时传输，完成了四轴飞行器的实时姿态控制。
1 姿态检测与控制系统组成四轴飞行器主要无线通讯模块，姿态采集模块和电机驱动模块组成，系统的硬件平台如图1所示。
本系统以STM32F103为主控芯片构建中央处理器模块，负责接收和处理传感器数据，根据姿态信息计算出相应驱动指令驱动四个电机达到想要的飞行效果。
采用MPU9150模块作为姿态采集传感器，MPU9150集成了3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS加速度计和磁力计。
模块通过IIC总线将采集到的x、y、z三轴上的数字信号传递给中央处理器，处理器对原始数据进行预处理得到初始角度和角速度值，再经过滤波融合算法得到准确稳定的姿态数据。
最终中央处理器通过接收遥控模块发出的指令来驱动和控制四个直流无刷电机做出相应的飞行动作和保持动态的平衡。
图1 硬件系统设计本次设计的硬件系统模型如图2所示。
2 传感器的数据融合要使飞行器稳定飞行需要获取飞行器当前精确的飞行姿态，得到准确的姿态角就显得非常重要。
这里我们使用陀Keywords: attitude detection; Data fusion; Cascade PID基金项目：基于变论域模糊PID的四轴飞行器控制系统设计与实现（2020KY44011）。
四旋翼飞行器控制系统硬件电路设计
图1 四旋翼飞行器的结构形式
2015.12
41
行。
通过适当地改变电机的转速，来控制飞行器的飞行状态。
1.3 飞行器控制系统总体系统设计出系统，控制模块的主要输入信号有
各个传感器的测量数据，输出信号为
四路变脉宽电机控制信号，需要多个
载与调试。
此微控制器具有8个定时
器，对于信号采集和PWM输出均能
图4 遥控器硬件电路图3 MPU-6050姿态测量电路
图2 系统总体框图
nRF24L01无线模块器件。
其发射电路可以通过LC振荡电路构成。
为了便控制参数给飞行器，使其按照控制
算法运行；(2)在飞行器调试阶段，
完成飞行器PID参数的修改和调整。
(2)反电动势检测
在换向的过程中
图5 反电动势检测电路图6 实际飞行姿态角数值
图13 ZVS降压时序图
图14 无人机数据链解决方案。
六个自由度的四旋翼飞行控制原理
• 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。
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 也作为一个器噪声 • 2.外部扰动 • 3.摩擦 • 4.风速
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
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。）
飞行控制——六个自由度
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
基于STM32的四旋翼无人机智能控制方法设计
基于STM32的四旋翼无人机智能控制方法设计四旋翼无人机是一种应用广泛的无人机类型，它由四个同心排列的旋翼组成，能够提供稳定的飞行能力。
在基于STM32的四旋翼无人机智能控制方法设计中，我们需要考虑飞行稳定性、遥控操控能力以及自动控制能力等方面。
首先，为了保证飞行的稳定性，我们可以采用PID控制方法。
PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成，可以根据飞行状态的误差来调整旋翼的转速。
通过调整PID参数，可以使得飞行器能够更好地保持平衡。
在STM32上，我们可以通过编程来实现PID控制器，并将其与四个旋翼的电机连接起来。
其次，为了实现遥控操控能力，我们可以利用STM32的GPIO口和UART通信接口来实现无人机与遥控器之间的通信。
遥控器通过按键或摇杆等控制方式发送信号给STM32，STM32将接收到的信号解码后，将其转化为相应的控制指令，再发送给飞行器的电机。
利用STM32的中断功能，我们可以实现快速响应遥控指令的功能，使得飞行体验更加流畅。
最后，为了提高无人机的自动控制能力，我们可以加入一些传感器，例如陀螺仪、加速度计和姿态传感器等。
这些传感器可以实时感知无人机的飞行状态，例如俯仰角、滚转角和偏航角等。
通过将传感器的数据传输给STM32，我们可以根据具体的飞行算法来实现自动控制功能，例如自动起飞、自动降落和自动悬停等。
在基于STM32的四旋翼无人机智能控制方法设计中，我们需要结合硬件设计和软件设计。
硬件方面，我们需要设计电机驱动电路、通信电路和传感器接口电路等。
软件方面，我们需要进行编程，实现PID控制算法、遥控通信协议和传感器数据处理算法等。
综上所述，基于STM32的四旋翼无人机智能控制方法设计是一个复杂的系统工程，需要考虑飞行稳定性、遥控操控能力和自动控制能力等方面的要求。
通过合理的硬件设计和软件编程，我们可以实现一个功能强大、性能优越的四旋翼无人机。
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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。
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
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
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]’
G —重力加速度，G=[0 0 g]’
Ff—直升机四个螺旋桨总升力
—平动拖拽力系数 K dt
五、四旋翼飞行器平动动力学模型
arcsin Ay / g
偏航角 通过数字罗盘得到
* arctan
YH X H Y cos Z sin arctan X cos Y sin sin Z cos sin
六、陀螺仪解算姿态—状态向量
四旋翼飞行器的飞行控制系统设计 邱丽
qiuli@
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
其中
其中， Fi —螺旋桨ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
Fi 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 (U1 K dtx x ) / m y (U1 K dty y ) / m z (U1 K dtz y mg ) / m
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
Ay ，根据几何关系得到 上的分量 Ax 、
arcsin Ax / g
(dU 2 K afx ) / I x (dU 3 K afy ) / I y
Kd ( U 4 K afz ) / I z Kl
五、传递函数矩阵
选择后四行进行控制
z (U1 K dtz y mg ) / m
(dU 2 K afx ) / I x (dU 3 K afy ) / I y
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 （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）
陀螺仪通过单轴积分法获得三轴姿态角
y k ( x b)
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。
七、多传感器融合—卡尔曼滤波
计算观测向量
+ vk
Kk
选取状态矢量
+
-
+
xk
Ck
Xk|k-1
Ak-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。
Kd ( U 4 K afz ) / I z Kl
输出量 输入量
U1 控制三个位置x，y，z；U 2控制横滚角 ； U3 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