基于单片机的四轴飞行器毕业设计
基于单片机的四轴飞行器毕业设计目录摘要 ................................................................................................ 错误!未定义书签。
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第1章绪论 .. (1)1.1 论文研究背景及意义 (1)1.2 国内外的发展情况 (2)1.3 本文主要研究内容 (4)第2章总体方案设计 (5)2.1 总体设计原理 (5)2.2 总体设计方案 (5)2.2.1 系统硬件电路设计方案 (5)2.2.2 各部分功能作用 (6)2.2.3 系统软件设计方案 (7)第3章系统硬件电路设计 (8)3.1 Altium Designer Summer 09简介 (8)3.2 总体电路设计 (8)3.2.1 遥控器总体电路设计 (8)3.2.2 飞行器总体电路设计 (10)3.3 各部分电路设计 (10)3.3.1 电源电路设计 (10)3.3.2 主控单元电路设计 (12)3.3.3 无线通信模块电路设计 (13)3.3.4 惯性测量单元电路设计 (16)3.3.5 电机驱动电路设计 (18)3.4 PCB设计 (21)3.4.1 PCB设计技巧规则 (21)3.4.2 PCB设计步骤 (22)3.5 实物介绍 (25)第4章系统软件设计 (27)4.1 Keil MDK5.12简介 (27)4.1.1 Keil MDK概述 (27)4.1.1 Keil MDK功能特点 (27)4.2 软件设计框图 (28)4.3 软件调试仿真 (29)4.4 飞控软件设计 (30)4.4.1 MPU6050数据读取 (30)4.4.2 姿态计算IMU (32)4.4.3 PID电机控制 (32)结论 (36)致谢 (38)参考文献 (39)附录1 遥控器主程序源代码 (40)附录2 飞行器主程序源代码 (45)附录3 遥控器原理图 (50)附录4 飞行器原理图 (51)第1章绪论1.1 论文研究背景及意义图1-1 典型四轴飞行器四轴飞行器是一种具有4个对称旋翼的直升机（如图1-1），具有垂直起降、结构简单、操纵方便及机动灵活等优点，在飞行器上挂载摄像头等模块能够实现许多实用功能。
在实际应用方面，以四轴飞行器为代表的小型无人机在执行军事任务时具有很大的优势。
它们能够在士兵的操控下进行战场上近距离、小范围、复杂地形环境的敌情侦察，还可以用作通信联系工具或者指示目标机，甚至还能装上弹药直接执行战略攻击任务。
在民用与工业领域，四轴飞行器也具有广泛的应用前景。
通过携带特定的功能检测模块，四轴飞行器可以感知危险区域的有毒物质浓度或核辐射强度等。
微型四轴无人飞行器可以自主完成上述任务，不仅节约成本，而且大大简化了人力劳动，也在人类无法到达的危险、危害环境可以完全代替人类工作。
近年来，很多学者和研究机构通过对四轴飞行器进行动力学和运动学分析，建立了系统的数学模型，提出了各种控制算法，并设计了飞行控制系统进行验证；加上传感器技术和控制理论的不断发展，尤其是微电子和微机械技术的逐步成熟，使四轴飞行器的飞行控制成为了一个具有广阔前景的研究课题。
1.2 国内外的发展情况早在二战时，载人四轴的原型机已经被设计出来，但因为控制技术还跟不上，飞行器因不稳定而无法投入实际应用。
那时欠缺的技术主要是惯性测量和控制器的缺陷，那时候的惯性导航系统一般是十几公斤的大铁疙瘩。
为了把这么重的东西放到一个多旋翼飞行器上，飞行器的载荷必须很大，可是人们发现，不管是用油机还是电机做多旋翼飞行器的动力系统，都很难得到足够的载荷。
同时，因为固定翼和直升机已经很够实际使用了，所以没有人愿意多花功夫去研究多旋翼飞行器这个棘手的问题。
很长一段时间里，只有美国一些研发性的项目做出了多旋翼飞行器的样机。
20世纪90年代之后，随着微机电系统（MEMS）研究的成熟，几克重的MEMS 惯性导航系统被制作了出来，使得多旋翼飞行器的自动控制器可以制作了。
但是MEMS传感器数据噪音很大，不能直接读出来用，于是人们又花了一些年的时间研究MEMS去噪声的各种数学算法。
这些算法以及自动控制器本身通常需要速度比较快的单片机来运行，于是人们又等了一些年时间，等速度比较快的单片机诞生。
接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行器的非线性系统结构，给它建模、设计控制算法、实现控制算法。
因此，直到2005年左右，真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。
之前一直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器系统突然出现在人们视野中，大家惊奇地发现居然有这样一种小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单的飞行器存在。
一时间研究者趋之若鹜，纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。
四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最简单最流行的一种。
如上所述，最初的一段时间主要是学术研究人员研究四旋翼。
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《三傻大闹宝莱坞》，到了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。
AR.Drone的流行让四旋翼飞行器开始广泛进入人类社会。
在玩具这个尺寸上，多旋翼飞行器的优势就显示出来了，同尺寸的固定翼基本飞不起来，而同尺寸的直升机因为机械结构复杂，根本没法低成本地制作出稳定的产品。
2012年2月，宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授在TED上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲。
这一场充满数学公式的演讲居然大受欢迎，迄今已经有三百多万次观看，是TED成百上千个演讲中浏览量最高的演讲之一。
自此之后，四旋翼飞行器受到的关注度迅速提升，成为了新的商业焦点。
在国内，四轴飞行器发展于深圳市大疆创新科技有限公(DJ-Innovations，简称DJI)，早年DJI专注在直升机自动控制器上。
不过在2010年，AR.Drone的成功也让DJI开始考虑四旋翼飞行器产品。
2012年DJI相继推出了风火轮系列四旋翼机架、悟空四旋翼飞控和S800六旋翼飞行器。
当时，在AR.Drone的引领下，全球范围内都有一股将四旋翼商业化的热潮，DJI只是众多小四旋翼公司中稍微出众的一个。
随着DJI Phantom在2013年1月的推出，四旋翼飞行器市场的形势发生了巨大的变化。
“Phantom”在英语里有幻影、精灵的意思，它优雅的白色流线型外形也确实配得上精灵这个称呼。
Phantom与AR.Drone一样控制简便，新手学习多半个小时就可以自由飞行。
Phantom尺寸比AR.Drone大的多，抗风性更好，还具有内置GPS导航功能，可以在户外很大的范围内飞行。
更重要的是，当时利用GoPro运动相机拍摄极限运动已经成为欧美国家的时尚，而Phantom提供了挂载GoPro的连接架，让用GoPro相机的人们有了从天空向下的拍摄视角。
特别地，与传统的飞机和直升机航拍不同，多旋翼系统小巧灵活，能让拍摄者自由地控制角度和距离。
就像iPhone重新定义了手机一样，我们也可以毫不夸张地说Phantom+GoPro重新定义了航拍，也重新定义了相机。
“人类对飞行的梦想是与生俱来的。
”你已经看到人们的创意如何在一两年之内被四旋翼点燃起来，更多的飞行器被制造出来，更多的想法也会被创造出来，这样更大的市场也会形成。
我相信在未来的十年之内，无人机行业会逐步壮大，我们今天产生的所有想法基本都会实现，更多的想法也会逐步被实现，利用无人机的应用越来越多，无人机将会变成我们生活不可或缺的部分。
1.3 本文主要研究内容本设计主要包括遥控器的设计和飞行器的设计，遥控器是飞行器的远程控制单元。
在设计过程中，两大部分均采用以ARM Cortex-M3为内核的NXP LPC1549作为中央处理器，飞行器端利用3轴陀螺仪、3轴加速度计融合一体的MPU6050惯性测量单元作为姿态传感器，最终实现悬停、自转、前后左右移动等操作功能。
系统采用遥控器无线控制，遥控器端主控芯片采集AD值和按键动作信号，通过NRF24L01无线传输给飞行器，飞行器端的NRF24L01接收到信号之后主控器进行信号收集，飞行器在接收无线信号的同时，还要接收自身姿态传感器MPU6050读出来的值，通过四元数滤波算法，PID控制算法，得到姿态角度值，最终把自身的数据和无线接收到的数据进行统一处理传送给飞行器四个电机的PWM控制I/O口，从而使得飞行器在保持平稳的状态下被遥控器控制，以此来达到遥控的目的。
当然，飞行器的状态也可以通过无线发送到遥控器端，遥控器通过显示器可以清晰的观察当前的状况。
此次毕业设计作品为小型四轴飞行器，从原理图设计到PCB设计再到焊接调试都是自己独立完成，最终期望达到的目的是实现无线遥控，遥控器显示器实时显示四轴飞行器的状态，并且能实现悬停。
第2章总体方案设计2.1 总体设计原理本次设计硬件部分主要包括遥控器和飞行器两大部分，主控芯片均采用32位基于ARM Cortex-3的NXP LPC1549处理器，遥控器和飞行器之间通信采用2.4G 民用无线通信频段的NRF24L01模块，模块与MCU之间通过硬件SPI采用1MHz 的速率通信。
遥控器外形设计似游戏手柄，直接用PCB电路板打样后作为遥控器外形。
遥控器通过采集蘑菇头摇杆电位器ADC电压值以及按键状态发送给飞行器。
飞行器外形设计为十字架形状，通过CAD绘制外形导入到Altium Designer 软件里Keep-Out Layer层作为飞行器切割外框。
飞行器软件设计主要是MCU通过硬件I2C采用400KHz的速率读取MPU6050的数据，并定时利用惯性测量单元（IMU）姿态获取技术，然后通过PID电机自动控制算法，把PID输出量跟无线接收到的数据进行融合，最终通过输出PWM来控制高速空心杯直流有刷电机来实现各种飞行状态。
飞行器螺旋桨主要提供三个作用，一是提供升力，保证飞行器能处于飞行状态；另一个是四个螺旋桨分为两两对称布置，单轴对称布置正反螺旋桨叶，互相抵消螺旋桨旋转时产生的力矩；此外，可以通过调整每个螺旋桨转速，达到飞行姿态控制。
飞行姿态控制是四轴飞行器设计核心部分之一。
2.2 总体设计方案2.2.1 系统硬件电路设计方案本次设计采用NXP LPC1549微控制器作为MCU，并且均采用3.7V充电电池作为电源为系统供电，电池通过CAT2829芯片稳压到3.3V为MCU以及外设供电，飞行器供电比较特殊，其供电分为两个部分：一是3.7V电池直接为电机供电，二是电池稳压到3.3V之后为系统和外设供电。
基于STM32F4的四轴航拍飞行器
基于STM32F4的四轴航拍飞行器摘要本设计是基于STM32F4的四轴航拍平台。
以STM32F407为控制核心，四轴飞行器为载体，辅以云台的航拍系统。
硬件上由飞控电路，电源管理，通信模块，动力系统，机架，云台伺服系统组成。
算法上采用简洁稳定的四元数加互补滤波作为姿态解算算法，PID作为控制器，实现飞行，云台增稳等功能。
具有灵活轻盈，延展性，适应性强好等特点。
1.引言四轴飞行器是一种利用四个旋翼作为飞行引擎来进行空中飞行的飞行器。
进入20世纪以来，电子技术飞速发展四轴飞行器开始走向小型化，并融入了人工智能，使其发展趋于无人机，智能机器人。
四轴飞行器不但实现了直升机的垂直升降的飞行性能，同时也在一定程度上降低了飞行器机械结构的设计难度。
四轴飞行器的平衡控制系统由各类惯性传感器组成。
在制作过程中，对整体机身的中心、对称性以及电机性能要求较低，这也正是制作四轴飞行器的优势所在，而且相较于固定翼飞机，四轴也有着可垂直起降，机动性好，易维护等优点。
在实际应用方面，四轴飞行器可以在复杂、危险的环境下可以完成特定的飞行任务，也可以用于监控交通，环境等。
比如，在四轴飞行器上安装甲烷等有害气体的检测装置，则可以在高空定点地检测有害气体；进入辐射区检查核设施；做军事侦察；甚至搬运材料，搭建房屋等等。
本设计利用四轴搭载云台实现航拍任务，当然经过改装也可以执行其他任务。
本设计主要研究了四轴飞行器的姿态结算和飞行控制，并设计制作了一架四轴飞行器，对关键传感器做了标定，并利用用matlab分析数据，设计算法，还进行了单通道平衡试验调试，进行试飞实验取得了一定的效果。
2.系统方案本设计采用STM32F4作为核心处理器，该处理器内核架构ARM Cortex-M4，具有高性能、低成本、低功耗等特点。
主控板包括传感器MPU6050电路模块、无线蓝牙模块、电机启动模块，电源管理模块等；遥控使用商品遥控及接收机。
控制芯片捕获接收机的PPM命令信号，传感器与控制芯片之间采用IIC总线连接，MCU与电调之间用PWM传递控制信号。
基于STM32单片机的四轴飞行器飞行系统设计
集宁师范学院学报/Nov.2017/No.6基于STM32单片机的四轴飞行器飞行系统设计张仲俊汪材印（宿州学院机械与电子工程学院，安徽宿州234000）摘要：针对现阶段四轴飞行器飞行中存在的稳定性问题，通过对互补滤波、四元数、串级PID等技术的研究，设计了一种基于STM32的四轴飞行器飞行系统。
该系统采用STM32作为主控芯片，利用9轴传感器（3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁力计）GY-86测得原始数据，经过四元数姿态解算得到飞行器的姿态信息，再通过遥控器和主控板进行通信，利用串级PID控制算法驱动无刷电机实现四轴飞行器的稳定飞行。
实验测试结果表明：该系统能够保证四轴飞行器的稳定飞行，有很好的实用价值。
关键词：四轴飞行器；STM32；GY-86；互补滤波；四元数；串级PID中图分类号：V249文献识别码：A文章编号：2095-3771(2017)06-0027-06四轴飞行器属于一种小型飞行器，具有体积小、飞行高度低、灵活度高等众多特点，因而在空间小的区域飞行独具优势。
在航拍、线路巡检、数据采集等军用与民用领域中，四轴飞行器均有着广泛的应用前景。
由于四轴飞行器体积小、重量轻，在无风情况下能够正常飞行，但在天气恶劣的情况下，因其抗干扰能力差,非线性又十分复杂，以往的飞行控制方式并不能发挥理想的效果，因此，需要设计一种能够使四轴飞行器稳定飞行的系统。
1四轴飞行器飞行系统工作原理四轴飞行器简单来讲是一个在空间中含有六个活动自由度[1]，然而仅仅存在四个控制自由度的系统，所以此类飞行装置又被命名为欠驱动系统（唯有控制自由度和活动自由度完全相等之时才可以将其命名为完整驱动系统）。
但仅针对姿态控制而言，它是通过完整驱动的方式进行运作的。
为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有由3轴陀螺仪和3轴加速度计组建而成的惯性导航模块，从而能够准确的获取飞行器在任意时刻相对地面的各类飞行状态数据。
飞行控制器利用特定的运算方式来确保飞行器在飞行过程中具有足够的旋转力和上升力，并利用专门配置的电子调控器来确保电机能够保持充足的能量输出，从而实现稳定飞行[2]。
四轴飞行器的设计
深圳大学本科毕业论文（设计）题目: 四轴飞行器的设计姓名: * * *专业: 机械设计制造及其自动化学院: 机电工程学院学号: 12880008指导教师:* * *职称：2016年 4月 19日深圳大学本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目《》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。
除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
本人完全意识到本声明的法律结果。
毕业论文（设计）作者签名：日期：年月日目录一．综述 (7)（一）产品发展历史 (7)（二）项目研究现状 (7)（三）研究目的 ............................................................................. 错误!未定义书签。
（四）主要研究内容 . (8)二．产品工作原理 (9)（一）产品技术方案的提出 (9)（二）产品总体结构 (9)（三）产品工作原理 (9)三．产品结构设计 (11)（一）产品性能要求 (15)（二）产品设计计算 (15)1.参数选择 (15)2.估算整机重量 (16)3.功率计算 (17)4.上下平板连接使用螺纹连接类型及连接件选择 (17)5.机身支架与马达底座之间控轴公差与配合 (18)（三）产品结构设计 (21)1.产品装配图 (21)机架装配 (22)电机装配 (23)脚架装配 (24)2.产品零件图 (25)缓冲套 (25)脚架 (25)马达底座 (26)下平板 (26)橡胶套1 ............................................................................................. 错误!未定义书签。
橡胶套2 (27)四．结构分析与试验 (29)结论 (30)【摘要】Solidworks软件是美国Solidworks公司开发的三维CAD软件，是世界上第一个基于windows开发的三维CAD软件，功能强大、易学易用与技术创新是Solidworks软件的三大特点。
四轴飞行器的设计
四轴飞行器的设计随着电子技术的快速发展，四轴飞行器被越来越多的人们喜欢和使用，特别是用于航拍和军事领域，在不久的将来必然也会应用于越来越多的其他领域。
文章设计一款基于STM32F103C8T6为主控系统的小型四轴飞行器，采用keil5为软件开发环境，用MPU6050芯片进行姿态采集，根据采集到的数据进行姿态分析，进而控制其稳定飞行。
标签：四轴飞行器；单片机；PID1 无人机的发展历史及意义无人飞行器是指具有动力装置，而不要求有专业操纵人员的飞行器。
它利用螺旋桨通过转动形成向地面的气流来抵消机身的质量，可实现独立飞行或者远程控制飞行。
相对于固定翼无人机，旋翼无人飞行器的发展就较为缓慢，这是因为旋翼无人飞行器的控制系统较为复杂，早期的技术不能满足飞行要求。
然而旋翼机具备所有飞机和固定翼无人机的优点，其成本低，结构简单，无大机翼的限制，具有自主起飞及下降功能，事故代价低等特点。
四轴飞行器是多旋翼飞行器中结构最简单的一种，由于其应用前景广泛，很快就吸引了众多研究者的注意，特别是以美国等西方国家为主的大学在无人机的控制算法研究以及导航等方面取得了不少成果。
在我国，北京理工大学在基于PID控制算法，姿態控制方面也取得一定的成果。
国防科技大学从2004年开始对四轴飞行器相关技术展开研究，并自主设计了四轴飞行器的原型样机。
但四轴飞行器真正的进入公众视野却是2012年2月，美国宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授在TED上做出四旋翼飞行器里程碑式的演讲[2]。
2 四轴飞行器的动力分析2.1 四轴飞行器的飞行模式四轴飞行器的飞行模式主要包括十字模式和X字模式两种，如图1所示。
十字模式下的飞行方向与其中一个电机的安装方向一致，而X模式下的四轴飞行器前进方向指向两个电机中间。
由于十字模式可以直接明了的分清四个电机在四轴飞行器飞行过程的作用，所以操纵简单，但动作灵活性差。
X模式飞行模式复杂，但动作灵活。
本次课题的四旋翼飞行器设计采用X模式。
基于STM32单片机的四旋翼飞行器设计
基于STM32单片机的四旋翼飞行器设计
程煦;郭珊珊;陈华宾
【期刊名称】《电子世界》
【年(卷),期】2017(000)003
【摘要】四旋翼飞行器是一种新型无人飞行器,其结构简单,飞行稳定性强,具有很强的实用价值.基于其上述特性,提出一种以STM32单片机为核心的四旋翼飞行器的设计,主要包括飞行器的结构以及基本原理的介绍、硬件部分的设计与选择、软件部分的设计与实现.在硬件部分,主要是以STM32系列微处理器为主控核
心,MPU-6050为飞行姿态测量传感器,2.4GHz全球开放频段为无线数据传输控制.其中具体各元件的作用与选择将分别从主控单元、IMU模块、电机驱动模块、无线通讯模块及电源模块进行阐述.在软件部分,主要是通过四元数算法实现姿态解算和PID算法来实现姿态控制.最后对设计出的四旋翼飞行器提出一些附加功能,使其更加人机友好化.
【总页数】4页(P121-124)
【作者】程煦;郭珊珊;陈华宾
【作者单位】厦门大学信息科学与技术学院;厦门大学信息科学与技术学院;厦门大学信息科学与技术学院
【正文语种】中文
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1.基于STM32单片机的三叶浆四旋翼飞行器设计 [J], 周贺
2.基于STM32单片机的升降式双旋翼飞行器设计 [J], 张嘉仪;胡云峰;刘诗凡;周开军
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基于STM32的简易四轴飞行器系统的设计实现
基于STM32的简易四轴飞行器系统的设计实现
引言
四轴飞行器是一种结构紧凑、飞行方式独特的垂直起降式飞行器，与普通的飞行器相比具有结构简单，故障率低和单位体积能够产生更大升力等优点，在军事和民用多个领域都有广阔的应用前景，非常适合在狭小空间内执行任务。
因此四旋翼飞行器具有广阔的应用前景，吸引了众多科研人员，成为国内外新的研究热点。
本设计主要通过利用惯性测量单元（IMU）姿态获取技术、PID电机控制算法、2.4G无线遥控通信技术和高速空心杯直流电机驱动技术来实现简易的四轴方案。
整个系统的设计包括飞控部分和遥控部分，飞控部分采用机架和控制核心部分一体设计增加系统稳定性，遥控部分采用模拟摇杆操作输入使操作体验极佳，两部分之间的通信采用2.4G无线模块保证数据稳定传输。
飞行控制板采用高速单片机STM32作为处理器，采用含有三轴陀螺仪、三轴加速度计的运动传感器MPU6050作为惯性测量单元，通过2.4G 无线模块和遥控板进行通信，最终根据PID控制算法通过PWM方式驱动空心杯电机来达到遥控目标。
基于STM32单片机四旋翼飞行器建模分析与设计
曾宪阳 一 ， 杨 红 莉 ， 郁 汉 琪
（ １ ． 南 京 工程 学 院 工业 中心 ， 江 苏 南京 ２ １ １ １ ６ ７ ； ２ ． 南 京 大学 数 学 系 ， 江苏 南京 ２ １ ０ ０ ９ ３； ３ ． 南京工程学院 数理部 ， 江苏 南京 ２ １ １ １ ６ ７ ）
算 出 的 角度 数 据 与 陀通过 卡 尔曼滤 波滤去 干扰 信 号 ， 保证 了角度数 据 的准确 性 。
设 计 了三 路 串 级 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 器 ， 通 过 对横 滚 角 、 俯 仰 角、 偏 航 角 ３种 姿 态 角 进 行 控 制 ， 实 现 了 对 飞 行 器 的 悬停 、 前进、
摘
要 ：针 对 四 旋 翼 飞 行 器稳 定 性 差 、 控 制 难 的问题 ， 使 用 牛 顿 一欧 拉 方 程 建 立 了数 学 模 型 ， 提 出 了姿 态 解 算 的 实 现
方 法 。设 计 了 以 Ｓ Ｔ Ｍ３ ２单 片 机 为 控 制 核 心 ， 加 速度 计 、 陀 螺 仪 及 磁 力 计 等 组 成 的 硬 件 控 制 电路 。提 出将 加 速 度 计 解
ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｕ ｒ －ｒ ｏ ｔ ｏ ｒ ａ ｉ ｒ ｃ ｒ ａ ｆ ｔ ，ｔ ｈ ｅ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｔ ｔ ｉ ｔ ｕ ｄ ｅ ａ ｌ ｇ ｏ ｉ ｒ ｔ ｈ ｍ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｏ ．Ｔ ｈ ｅ ｈ ａ ｒ ｄ ｗ ａ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ， ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｃ ｈ ｏ ｏ ｓ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ Ｓ ＴＭ３ ２ ＭＣ Ｕ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｉ ｓ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｏ ｆ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ，ｇ ｙｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｅ ，ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｎ ｄ Ｓ Ｏ ｏ ｎ．Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｇ ｅ ｔ
基于STM32的四轴飞行器设计
1.主控单元。主控单元采用意法半导体公司生产的STM32F103T8U6。芯片基于ARM crotex-M3内核,工作频率能达到72MHz，具有64KB的片内程序存储器，20KB的SRAM，1个SPI接口，1个IIC接口，2个USART接口以及2个10通道的ADC，足够满足系统要求。并且芯片具有VFQFPN36封装，大小仅为6mm*6mm，极大地节省了电路板上的空间。
4.电机驱动电路。系统采用4个十字对称分布的直流电机提供升力，电机驱动电路由N沟道增强型场效应管搭建，通过STM32引脚输出的PWM信号控制电机的转速。
三、程序设计
系统上电后首先进行硬件的初始化，包括初始化时钟、定时器、IIC总线、SPI总线以及各种外部芯片等等。初始化完成后系统进入主循环。定时器每隔1ms中断一次，在中断程序中将全局变量count加1，当count等于100的时候清零。所以程序每隔10ms进行一次姿态解算，并经过PID算法控制4个电机的转速，调节飞行器姿态。每隔20ms接收无线遥控数据，并对指令进行解析，根据指令控制飞行器的各种动作。每隔100ms检查一次电池电量，当检测到电量不足时向遥控端发出提醒信号。
参考文献
[1]程学功四轴飞行器的研究与设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2012。
[2]陈振兴基于STM32的微型四轴飞行器研究与设计[D].天津：河北工业大学，2013。
[3]STMicroelectronics STM32 Reference manual[R]，2010。
关键词：四轴飞行器 惯性传感器PID算法
一、引言
四轴飞行器是无人飞行器的一种，飞行器的动力由四个旋翼式的飞行引擎提供。由于四轴飞行器具有结构简单、体积小、单位体积能产生更大升力等优点，使得四轴飞行器的应用范围越来越广泛，从军用到民用、商用领域都有涉及。近十几年来，随着微系统、传感器以及控制理论等技术的发展，四轴飞行器的研究取得了极大的进步。四轴飞行器的发展也更趋于小型化、多样化。本设计采用STM32微控制器作为运算处理单元，通过IIC总线读取惯性传感器数据，通过四元数算法和卡尔曼滤波算法进行融合后进行姿态解算，从而得到当前飞行器姿态角度。微控制器利用当前得到的姿态角度与期望的姿态角度作对比，得到偏差角度输入到PID控制算法，算法的输出控制四个电机的转动，从而实现飞行器自主稳定飞行。
基于STM32控制的微型四轴飞行器
西华大学610039摘要：在对我很感兴趣的项目微型四轴飞行器进行了功能描述的基础上展开了对系统深入研究的方案设计。
该系统（装置）主要由飞控，遥控，蓝牙或WIFI模块，通信模块等组成。
飞控是由stm32f103作为主控，采用MPU6050作为惯性测量单元。
遥控是由arduino作为主控。
通信运用2.4G无线模块。
在AD环境中完成对飞控的的设计。
在keil 5中完成软件的设计。
然后，通过proteus软件完成飞控的模块的仿真与调试。
最后，分析了项目的计划完成情况。
关键词：四轴飞行器控制 stm32 通信设计引言随着社会的发展和科技的进步，我们迎来了新的时代。
在这个高速发展时代，所有的物品都在日新月异的变化。
我们小时候的纸飞机玩具变成了现在的遥控飞机，其中的四轴飞行器备受大众喜欢。
但是四轴飞行器的用处还有多，如林业，侦察，航拍，运输，娱乐观赏等领域，目前热门的航拍就是基于稳定四轴及云台搭建的平台实现，然后其他邻域应用还有相当的潜力。
四轴飞行器将会是很有潜力和未来需求的，代替人类运输，派遣去危险的地方拍摄，或者是交通，个人飞行器等等。
所以四轴飞行器以后一定可以成为主流产品，在生活的方方面面都可能会用到。
1项目1.1 项目描述近年来,国内科技领域对四轴飞行器的研究如火如荼,相关技术得到了迅速的发展。
随着信息化时代的蓬勃发展, 科学技术不断更新, 飞行器被广泛的应用在军事侦查、航拍以及民用快递运输等诸多行业。
四轴飞行器结构简单,操作灵活,单位体积内可提供巨大的升力,适合在狭窄环境中飞行,携带各种电子设备可执行各种任务,例如军事侦察、定位跟踪、农田监测等,在军事、民用等领域均有广泛的应用和广阔的前景。
本项目设计了一种基于STM32的微型四轴飞行器控制系统,以STM32单片机为主控制器,MPU6050为惯性测量单元模块核心,3.7V锂电池供电,通过蓝牙模块或wifi模块实现在手机App上来控制飞行器，或者通过自制遥控器来控制。
基于STM32的四旋翼飞行控制系统毕业设计
例如在高空电力线巡检中，无人机能在工作人员的操控下进行工作，可以代替人工对巡检对象实施接近检测，减少工人的劳动强度。也可以携带传感仪器、摄像机等，对巡检对象进行数据收集、分析与存储，这进一步提高巡检的工作效率和巡检精度。在军事上，在局部小规模对战的时候，一些普通的侦察机，可能受到敌方打击而造成不必要的机体人员伤亡，无人机则可以很好地起到替代作用。利用四旋翼飞行器作为侦察机，具有振动小、噪声小、可靠性高、成本低、反侦察能力强、自我销毁等优势。因此无人机的军事价值不可估量。四旋翼飞行器还有着更为广阔的前景等待着开发。比如可以通过为飞行器的添加更加智能的算法实现人机互动，让飞行器帮人取物件等。
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电源模块的原理图如图4.1所示。图里的5V电源来源于电子调速器的BEC降压系统。
图4.1电源模块电路图
4.1.2STM32F407最小系统
STM32F407VET6是意法半导体基于CORTEX-M4内核的芯片，STM32F407拥有的资源包括：集成FPU和DSP指令，并具有192KBSRAM、1024KB FLASH、12个16位定时器、2个32位定时器、2个DMA控制器（共16个通道）、3个SPI、2个全双工I2S、3个IIC、6个串口、2个USB（支持HOST /SLAVE）、2个CAN、3个12位ADC、2个12位DAC、1个RTC（带日历功能）、1个SDIO接口、1个FSMC接口、1个10/100M以太网MAC控制器、1个摄像头接口、1个硬件随机数生成器、以及112个通用IO口等。该芯片的配置十分强悍，具有卓越的性能。相对STM32F1来说，许多功能进行了重大改进。STM32最小系统电路图如图4.2所示。