四轴飞行器的设计与研究
电子技术·Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
四轴飞行器因其具备可垂直 起降、造价低、可重复利用、事 故代价小诸多优点，广泛的用于 军事侦察、航拍、交通巡逻等多 个领域，逐渐走进普通大众生活。 基于对技术现状分析总结，设计 了四轴飞行器整体技术方案，并 对其在航拍、定轨迹飞行、ｇｐｓ地 理位置反馈等方面的应用进行初 步研究。
【关键词】四轴飞行器ＰＩＤ ＳＴＭ３２飞行控制
器
四轴飞行器（ＭＡＡＶ）是无人飞行器的一
种，应用四个对称十字交叉分布螺旋桨，调整
螺旋桨转速控制飞行器各种飞行姿态，可以实
现地面控制飞行和自主飞行两种控制方式，随
着传感器和微处理器技术的发展，四轴飞行器
也得到了快速发展。四周飞行器的应用领域十
分广泛，从军事领域侦察到测绘航拍甚至于表
白求婚无不见其身影：自主飞行模式的实现解
放了控制者的劳动，大大节省了人力。
四轴飞行器的设计涉及到多个学科的知
识，包括自动控制理论、计算机技术、无线通
讯技术、空气动力学等各个学科，但随着四轴
飞行器市场化的逐步成熟，其设计和制作的技
术难度大大降低。本文借鉴已有的研究成果，
采用较为成熟的设计理念和元器件型号，对四
轴飞行器进行硬件和软件的设计。
１飞行器的设计
１．１系统硬件设计
飞行控制系统硬件部分主要由电源模块、
无线通讯模块、姿态传感器模块、电机驱动模
块、主控模块及相关扩展接口等部分组成，其
原理如图１所示。
主控模块由微处理器和其外围电路组成，
是飞行控制系统的核心模块，通过接口接收其
它模块的数据和遥控指令，通过ＰＩＤ控制算法
控制输出电机驱动数据，实现飞行器姿态的调
整；电源模块的作用是为整个飞行控制系统提
供电力供应，不同的模块所需要的电压会有所
差别，因此需要设计相应的稳压电路；无线通
讯模块的主要作用是收到遥控器发送的命令，
同时向地面终端接受信息，为控制飞行器姿态，
通讯模块需要升降、俯仰、旋转和翻滚四个通 四轴飞行器的设计与研究
文／文豪
道；姿态传感器需要有加速度传感器和角度传
感器两种，为飞行控制系统提供飞行器姿态数
据；选用无刷电机作为飞行器的驱动电机，需
要设计电子调速器作为电机驱动模块，而且需
要单独设计，另外考虑到开关频率特性，电机
驱动模块与电机一一对应，频率一致。
１．２系统软件设计
本次设计采用的微处理器为ＳＴＭ３２系列，
支持Ｃ语言编写嵌入式软件。使用Ｃ语言编
写嵌入式软件在项目管理、程序移植等方面相
比其它语言具有很大的优势，因此本次设计采
用Ｃ语言。编程方式采用直接面向寄存器编程，
提高运行效率。飞行控制系统的主要功能是接
受地面控制器遥控信号和姿态传感器的信号，
通过ＰＩＤ控制器和ＰＷＭ占空比控制实现各电
机转速的闭环控制，实现不同的飞行姿态：同
时，鉴于四轴飞行器的发散性，引入角速度陀
螺仪反馈环辅助飞行控制。
主要执行流程如下：
（１）系统初始化。系统初始化主要是对
内部各模块时钟、总线、控制参数及内部资源
等：
（２）数据输入。接收来自于地面遥控器
的控制命令和来自于姿态传感器的测量数据，
其中姿态传感器的测量数据包括陀螺仪传感器
和加速度传感器数据；
（３）姿态融合。姿态融合将地面遥控器
控制命令数据和姿态传感器的测量值比较，将
二者的差值通过ＰＩＤ控制器转换成不同占空比
ＰＷＭ脉冲输出，控制电机转速；
（４）ＰＩＤ控制器。ＰＩＤ控制器的作用是
计算姿态差值将其转换成电机ＰＷＭ输出占空
比，进而输出电机驱动模块，实现飞行器电机
转速的控制。
２四轴飞行器的应用研究
无人飞行器的出现使得以往需要乘坐飞
机才能够进行的高空摄影越来越多的变成在地
面上通过遥控器控制飞行器和照相机进行，四
轴飞行器作为一种优异的无人飞行器，其两队
旋转机翼对称布置，机动能力强，静态盘旋稳
定性高，小型化潜力大，因此非常适合作为一
款航拍飞行器。使用四轴飞行器航拍主要应用
在事故灾难救援侦查、城市交通状况巡逻以及
大型活动摄影等等多个方面。
２．２定轨迹飞行。
１２８·电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 无线通讯模块
图１：飞行控制系统原理图
四轴飞行器通过程序设定可以实现定轨
迹飞行，这就解放了地面控制人员的劳动，是
四轴飞行器具备了初步自主飞行的能力，也具
备了工业化应用的可能性，实现定轨迹的四轴
飞行器在实现简单重复性工作方面具备很大的
优势，同时成本十分低廉，例如通过设定好巡
逻轨迹的四轴飞行器可以携带摄像机实现小区
的定时定点巡逻，携带有红外热像仪的四轴飞
行器可以实现电力设备的空中红外测温等。
３四轴飞行器的应用展望
四周飞行器的应用前景十分广泛，例如
在机场可以可加装蜂鸣器模仿老鹰等猛禽的叫
声来驱散鸟类，也可以增加其称重能力加装农
药喷洒装置用于给高树喷洒农药，电力公司可
以使用它来巡视高压电力线路等以便及时发现
线路故障隐患，众多快寄公司正在研究使用四
周飞行器等小型无人飞行器来实现城市中近距
离的快寄业务，甚至于未来的一天四轴飞行器
有可能作为人类出行的工具代替私家车以改善
地面交通拥堵的问题，
参考文献
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究与设计［Ｍ］．天津：河北工业大学，２０１ ３．
作者简介
文豪，男，山东省安丘市人，现公安海警学院
本科在读。
作者单位
公安海警学院浙江省宁波市３１ ５８００
电子设计大赛四旋翼设计报告最终版
-
四旋翼飞行器〔A 题〕
参赛队号：20140057号
四旋翼飞行器
设计摘要：
四旋翼作为一种具有构造特殊的旋转翼无人飞行器，与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活的在各个方向进展机动，构造简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。
因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察、灾害现场监视与救援等。多旋翼无人机飞行原理上比拟简单，但涉及的科技领域比拟广，从机体的优化设计、传感器算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。
四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。它使用直接力矩，实现六自由度〔位置与姿态〕控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。此外，由于飞行过程中，微型飞行器同时受到多种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，模型准确性和传感器精度也将对控制器性能产生影响，这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。
因此，研究既能准确控制飞行姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。
一、引言：
1.1 题目理解：四旋翼飞行器，顾名思义，其四只旋转的翅膀为飞行的动力来源。四只旋转翼是无刷电机，因此对于无刷电机的控制调速系统对飞行器的飞行性能起着决定性的作用。在本次大赛中，需要利用四旋翼飞行器平台，实现四旋翼的起飞，悬停，姿态控制，以及四旋翼和地面之间的测距等功能。 -
1.2 设计思路：为了满足飞行器的设计要求，要使用以微控制器为核心的控制系统，使本系统以MC9S12*S128模拟出控制信号，用STM32 MMC10接收模拟信号，然后翻译出模拟信号，利用加速度与陀螺仪传感器采集飞行器的飞行数据，加以闭环调控和精准的控制算法。进展上升、下降以及悬停等动作。
四旋翼飞行器的悬停控制研究
电子技术・Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
【关键词】四旋翼定点悬停气压ＡＨＲＳ低通 滤波卡尔曼滤波 四旋翼飞行器是一种结构简单的多旋翼 形式的飞行器，其本身具有多重优势特征，主 要表现为机体结构简单、造价低廉、陀螺效应 小等多种优势。最重要的是，四旋翼飞行器可 以做到垂直起降，使得起飞与降落的成本大大 减小。因此，这种飞行器广泛的应用与空中拍 摄、监视、侦查等方面。然而，四旋翼飞行器 本身也存在一定的缺陷，飞行器本身在飞行 的过程中容易受到噪声甚至是气流等多方面干 扰，使控制变得困难。 众所周知，为了使四旋翼飞行器相比与固 定翼飞行器发挥更大的优势，悬停控制是非常 必要的，而现阶段大多数的悬停控制方案基于 民用全球定位系统（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ） 或计算机视觉控制。但ＧＰＳ对环境要求较大， 在某些ＧＰＳ信号不覆盖的地方不能使用，而 计算机视觉控制对微处理器的功能要求比较 高。但气压计的使用相对简单，只需要利用简 单地机械结构设计避免气流造成的大噪声的数 据，非常适合用于悬停控制 本文将注重对传感器数据的处理，从理 论推导出发，并联系实际应用，将低通滤波与 卡尔曼滤波相结合，并通过实体飞行器测试算 法，提出并证明一种比较稳定的四旋翼悬停控 制方案。 １四旋翼飞行器悬停的意义与工作原理 四旋翼飞行器的悬停控制一直是国内外 学者关注的一个重点课题。悬停，即四旋翼飞 行器在某一时刻相对于地面保持一种静止的空 间状态。 为ｌ『方便叙述，定义机体坐标系ＯＸＹＺ： 以飞行器重心为原点，纵轴为ｘ轴，方向同 机头方向；在飞行器对称面内且垂直于ｘ轴 为ｚ轴，方向向下；与ｘ，ｚ轴垂直且向右为 四旋翼飞行器的悬停控制研究 文／代怀宇段崇阳孙瑞达 正方向为Ｙ轴。根据右手定则由飞机重心为 原点定义地面惯性坐标系ＯｇＸｇＹｇＺｇ。ＯＸ轴 相对于ＯｇＸｇＹｇ￣－面的变化，即俯仰角（ｐｉｔｃｈ）， ＯＸ轴在ＯｇＸｇＹｇ平面的投影与ＯｇＸｇ之间的 夹角，即偏航角（ｙａｗ）；以及飞行器对称面 绕ｘ轴转动角度，即横滚角（ｒｏｌ１）。 由于四轴飞行器在空间中有６个自由度， 即在地面惯性坐标系中，沿三个坐标轴做平移 和旋转运动。通过对四轴飞行器的运动分析， 可以得出飞机的姿态变化可以分解成横滚角， 俯仰角，航向角的变化，而Ｏｇｚｇ轴的平移运 动可以看做高度的变化（ａｌｔｉｔｕｄｅ），如图１所示。 可以看出四旋翼飞行器的运行方式主要 包括四个方面的内容，有垂直起降和悬停（即 高度的变化）、偏航运行、俯仰运动以及滚转 运动四个，其中，基本的运动方式就是悬停运 动以及垂直起降运动，但飞行器在空中飞行时 会受到气流、气压等多种噪声干扰，飞行器的 运动状态会发生改变。所以控制控制四旋翼飞 行器的悬停，即控制横滚角，俯仰角，与航向 角，以及高度。 ２四旋翼飞行器控制系统 经过反复多种方案的反复比较分析，本 文决定采用电子航向系统，高精度气压计作为 数据的采集，通过Ｉ２Ｃ＋ＳＰＩ方式向主控芯片传 输数据，并对气压计做隔离处理，降低气流对 气压计的干扰。为了方便采集飞行时的实时数 据，利用串口方式十蓝牙方式，使飞行器与上 位机进行通讯。 ２．１控制系统的模块化设计 通 过ＡＨＲＳ（ａｔｔｉｔｕｄｅ ｈｅａｄｉｎｇ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ）可以获得实时的欧拉角，通过气压计 可以获得实时高度数据，运用适当的微处理器 （Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｕｎｉｔ）快速的控制，使得四 旋翼飞行器可以快速的对误差进行反应。因此， 本文描述的四旋翼飞行器呈现如下结构。 ２．２控制系统悬停的目标介绍 由于篇幅有限，本文只研究在手动飞行 中的悬停过程。当飞行器在飞行时，当横滚角 （ｐｉｔｃｈ），俯仰角（ｒｏｌ１）比较稳定时，对飞行器 发射悬停信号。此时飞行器将进行自稳控制， 并记录飞行器稳定后的姿态、航向、高度数据。 在可以修正的范围内进行修正。由于文献（１） 将已经将姿态的估计与控制做了详细的描述， 使飞行器姿态很好的保持稳定，本文将不再描 述姿态的控制，而将重点放在高度数据的处理 与高度控制上，如图２所示。 ３基于ＡＨＲＳ与气压计的悬停控制系统的 图１：四轴飞行器示意图 算法设计与实现 ３．１获得理想的控制量 ３．Ｉ．Ｉ低通滤波 低通滤波分为很多种，对于从模拟信号 发展而来的最简单的低通滤波，分为一阶阻容 滤波，和二阶阻容滤波，阻容滤波在频域上有 阻挡高频信号的特点，在相位上存在滞后，阻 容滤波也成为滞后滤波。而二阶低通滤波较一 阶低通滤波 理想一阶低通滤波器的传递函数为 １ Ｇ（ ） —ＲＣｓ—＋１ ｚ变换： １——Ｚ－１ Ｔ 式中Ｔ为采样周期 Ｙ（ｚ） Ｔ ｘ（ｚ） ＲＣ（１一Ｚ－１）＋Ｔ ｘ（ｚ）＝（１＋ Ｙ（ｚ）一ＴＲＣＹ（ｚ）ｚ ｚ反变换得到差分方程 ｘ（ｎ）＝（１＋ Ｙ（ｎ）一ＴＲＣＹ（ｎ＿１） Ｔ ＲＣ Ｙ（ｎ） ｙｚ－￣ｘ（ｎ）＋ Ｙ（ｎ一１） Ｔ Ｔ＋ＲＣ 称ａ为滤波系数，ｌ＞ａ＞Ｏ Ｙ（ｎ）＝ｃｔＸ（ｎ）＋（１－ｕ）Ｙ（ｎ－１） 其中Ｖ（ｎ）为本次计算结果，Ｘ（ｎ）为得到 的新数据，Ｙ（ｎ一１）为前一次计算的结果。滤 波参数与截止频率和采样时间有关。 经过分析，滤波系数 Ｔ ＝＿■ｒ Ｔ＋—２＂ ｒｔｔｏ ０）为截止频率。 ３．１．２卡尔曼滤波 卡尔曼滤波系统中的信号和噪声状态方 程如下：
基于ARM单片机四旋翼飞行器控制器设计
本科毕业论文（设计）
基于ARM单片机的四旋翼飞行器
控制器设计
系 （部）
专 业
学 号
学生姓名
指导教师
提交日期 中工
信商
I 概 要
近几年，微小型的四旋翼无人机已逐渐成为无人机领域的研究热点。由于其灵活性，机体结构简单，维修方便等优点，并且可以在空中悬停，垂直起飞和着陆。所以它在军事和民用领域巨大的应用潜力，在架构设计和飞行控制国内外许多研究机构的研究也致力于四个旋翼无人机飞行控制系统，以实现四个旋翼无人机自主飞行]10[。四旋翼无人机飞行控制系统的重要组成部分是其机载的传感器系统，由于它为机载控制系统提供了可靠的飞行状态信息，因此是实现四旋翼无人机自主飞行的重要设备之一。
本论文设计了一种基于ARM处理器作为主控制器的四旋翼飞行器，由MTi.G惯性导航一体机，高精度声纳传感器和无线遥控器为主的机载传感器系统。该系统已经完成了航班状态信息的采集和处理，与空气中的控制器，实现了四旋翼飞行器空中自主悬停控制。使用现有的机载控制器硬件平台的ARM嵌入式控制器的功能是构建一个功能完善，和机载传感器系统（微型姿态航向参考系统和声纳传感器）的采集和处理测量的数据，对采集到的数据以及遥控数据进行一定的PID算法的计算]2[，进而控制四个无刷直流电机的转动，实现可四旋翼飞行器的稳定飞行。
关键字：四旋翼无人机 声纳传感器 无刷直流电机
II
Four rotor aircraft design based on ARM single chip
microcomputer
ABSTRACT
In recent years，quadrotor helicopter has become a hotspot of the research about
unmanned aerial vehicle(UAV)．It has high maneuverability，easy maintance，simple
四旋翼飞行器悬停控制的研究
四旋翼飞行器悬停控制的研究
悬停控制是四旋翼飞行器（Quadrotor）中最基本的控制问题之一，也是四旋翼飞行器实现定点悬停的核心任务。悬停控制要求四旋翼飞行器能在空中保持稳定的位置和高度，不受外界干扰的影响。本文将对四旋翼飞行器悬停控制的研究进行介绍。
首先，四旋翼飞行器的动力学模型是悬停控制的基础。四旋翼飞行器可以简化为一个刚体，在空中的运动可以通过角速度对应的张力来描述。四个电机产生的力和力矩会改变四旋翼飞行器的位置和姿态。为了控制飞行器的位置和姿态，我们需要设计合适的控制器。
在悬停控制器的设计中，最重要的是高度控制和姿态控制。高度控制是四旋翼飞行器在垂直方向上的运动控制，而姿态控制是四旋翼飞行器在水平方向上的运动控制。
高度控制采用的控制方法通常是基于PID控制器的设计。PID控制器包括比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分。通过测量实际高度和期望高度之间的误差，PID控制器根据误差的大小调整四个电机的输出力，使得四旋翼飞行器能够达到期望高度。
姿态控制通常采用的控制方法是基于反馈控制的设计。反馈控制是通过测量飞行器的姿态角（俯仰角、横滚角和偏航角）来调整电机的输出力，使得飞行器能够保持期望的姿态。常见的姿态控制算法有比例控制、PID控制和模糊控制等。
除了高度控制和姿态控制，四旋翼飞行器悬停控制还需要考虑飞行器的位置控制。位置控制是通过测量飞行器相对于地面的位置来调整四个电机的输出力，使得飞行器能够保持在期望的位置。常见的位置控制算法有最优控制和模型预测控制等。
此外，四旋翼飞行器悬停控制还需要考虑控制器的鲁棒性和抗干扰能力。在实际飞行过程中，飞行器可能会受到不同的干扰，如风力、重力偏差等。因此，悬停控制器需要设计为能够抵抗这些干扰，并保持飞行器的稳定性。
最后，四旋翼飞行器悬停控制的研究还需要与传感器的使用相结合。传感器可以提供飞行器的位置、姿态和高度等信息，从而帮助控制器实时地进行调整。常见的传感器有加速度计、陀螺仪、超声波传感器和摄像头等。
四轴飞行器飞行原理
四轴飞行器飞行原理
四旋翼飞行器结构
形式如图所示，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，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。
与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机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，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。
其基本运动状态分别是：
（1）垂直运动；
（2）俯仰运动；
（3）滚转运动；
（4）偏航运动；
（5）前后运动；
（6）侧向运动；
在控制飞行器飞行时，有如下技术难点：
首先，在飞行过程中它不仅受到各种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，很难获得其准确的性能参数。
其次，微型四旋翼无人飞行器是一个具有六个自由度，而只有四个控制输入的欠驱动系统。它具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，使得飞行控制系统的设计变得非常困难。
再次，利用陀螺进行物体姿态检测需要进行累计误差的消除，怎样建立误差模型和通过组合导航修正累积误差是一个工程难题。这三个问题解决成功与否，是实现微型四旋翼无人飞行器自主飞行控制的关键，具有非常重要的研究价值。
下面将逐个说明飞行器的各种飞行姿态：
垂直运动——在图中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。
俯仰运动——在图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
4轴飞行器有x模式和+”模式两大类的区别
4轴飞行器有×模式和+”模式两大类的区别
目录 一、基本概念与外观特征 ................................................................................................................................1 1. X模式 ........................................................................................................................................................1 2. +模式 .........................................................................................................................................................2 二、飞行性能与操控性 .....................................................................................................................................2 1. 飞行稳定性 .............................................................................................................................................2 2. 操控性 ......................................................................................................................................................2 3. 飞行效率与续航 ....................................................................................................................................3 三、应用场景与适应性 .....................................................................................................................................3 1. 摄影与拍摄 .............................................................................................................................................3 2. 竞技与表演 .............................................................................................................................................3 3. 教育与科研 .............................................................................................................................................3 4. 行业应用 ..................................................................................................................................................4 四、技术发展与未来趋势 ................................................................................................................................4 五、总结 .................................................................................................................................................................4 在无人机技术日新月异的今天，四轴飞行器以其稳定的飞行性能、灵活的操作性
四旋翼飞行器设计资料
四旋翼飞行器的设计
查重98%
四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置.通过调节电机转速来控制飞行的欠驱动系统;为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞行控制,对飞行控制系统进行了初步设计,并且以C8051F020单片机为计算控制单元,给出了飞行控制系统的硬件设计,研究了设计中的关键技术;由于采用贴片封装和低功耗的元器件,使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点;经过多次室内试验,该硬件设计性能可靠,能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求.
一． 微小型四旋翼飞行器的发展前景
根据微小型四旋翼飞行器发展现状和相关高新技术发展趋势 ，
预计它将有以下发展前景。
1 )随着相关研究进一步深入 ，预计在不久的将 来小型四旋翼飞行器技术会逐步走 向成熟与实用 。任务规划、飞行控制、无 G P S导航、 视觉和通信等子 系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全 天候抗干扰稳定飞行能力 。它未来 的主要技术 指 标： 任务半径 5 k m，飞行高度 1 0 0 m，续航时间 1 h ，有效载荷约 5
0 0 g ， 完全能够填补目前国际上在该范 围内侦察手段的空白。
2 )未来的微型四旋翼飞行器将完全能够达到美国国防预研局对 M A
V基本技术指标的要 求。 随着低雷诺数空气 动力学研究 的深入 ，
以及纳米和 M E MS 技术的发展 ，四旋翼 M A V必然取得理论和工
程上的突破。它将是一种有 4个旋翼的可飞行传感 器芯片， 是一个集成多个子系统 ( 导航与控制、 动力 与能源、 任务与通信等子系统) 的高度复杂ME M S系 统；不但能够在空中悬停和向任意方向机动飞行， 还
能飞临、绕过甚至是穿过 目标物体。此外 ，它还将拥有良好的隐身功能和信息传输能力。
3 )微小型四旋翼飞行器的编队飞行与作战应
在未来的战争中，微小型四旋翼飞行器 的任 务之一将是对敌方进行电子干扰并攻击其核心目标。单个微小型飞行器的有 效载荷量毕竟有限，难以有效地完成任务，而编 队飞行 与作 战不仅可以极
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的四轴飞行器设计
工装设计
— 128 —基于STM32的四轴飞行器设计
余 亮 项平平
（淮南师范学院机械与电气工程学院 安徽 淮南 232000）
摘 要：设计一种四轴飞行器。该飞行器由四片桨叶提供飞行升力，调节电机转速控制飞行姿态与路径。采用PIXHAWK2.4.8核心开发板，STM32处理数据，陀螺仪解算姿态，电调驱动无刷电机，实现电机转速调节，控制飞行姿态，实现常规姿态飞行。 关键词：飞行器；PIXHAWK；STM32；无刷电机 中图分类号：TP29-AD 文献标志码：A
1 引言
四轴飞行器具有体积小、灵活度较高、操控简单等众多特点，
应用前景广阔[1]。其未来可能发展成为新概念交通工具，或者用于
安保以及高危环境作业等，普遍走进人们的日常生活之中。
2 系统总体分析
本设计以单片机STM32F427开发板为核心器件，STM32F103C8T6为系统I/O口，配合电阻电容等器件，完成最小
系统搭建。其余模块围绕PIXHAWK开发板核心部分工作。开发板
中具有诸多传感器可供系统控制使用，主要包含128K非易失闪存FM25V01元器件，TXS0108通用电平驱动芯片，LTC4417电源管
理芯片，MIC5332超低压降传感器，BQ24315电池管理芯片，TCA62724三色LED芯片，LT3469运放， M8N传感器，5V供电
电源为等。硬件结构示意图如图1[2][3]。
图1 飞行器硬件结构示意图
3 硬件设计
系统开发板上部分传感器已焊接完整，留有部分引脚以方便连
接外设传感器。处理单元由STM32F427VIT6(168 Mhz工作频率、256KB RAM工作内存与2MB的flash闪存100Pin)与
STM32F103C8T6故障保护协处理器构成，其具有四十八个引脚，
用来控制输入信号采集与输出信号发射，其晶振频率为24MHz。
开发板中带有多个传感器，包括16位陀螺仪STL3GD20为整个系
统提供实时角速度数据；14位加速度计电子罗盘STLSM303D测量
四旋翼自主飞行器概要
四旋翼自主飞行器设计报告
林，张，翁
（泉州师范学院 物理与信息工程学院，福建 泉州 362000）
摘要：设计四旋翼自主飞行器，使得飞行器自主的从一个指定的区域飞到另外的一个指定区域降落并停机。四旋翼飞行器具有四个定螺距螺旋桨，可以通过协调各个旋翼的速度来控制飞行器的飞行姿态和飞行速度，而不需要繁杂的桨矩控制部件，而且也可以共享电池、控制电路板等，因此简化了结构，减轻了飞行器重量，可以减少能源消耗。
关键字：四旋翼飞行器；电机；电调
一、 系统方案
1.1方案描述
四轴飞行器是一个具有6个自由度和4个输入的欠驱动系 统,具有不稳定和强耦合等特点,除了受自身机械结构和旋翼空气动力学影响外,也很容易受到外界的干扰。无人机的姿态最终通过调节4个电机的转速进行调整,飞行控制系统通过各传感器获得无人机的姿态信息,经过一定的控制算法解算出4个电机的转速,通过I2C接口发送给电机调速器(简称电调),调整4个电机的转速,以实现对其姿态的控制。 姿态控制是整个飞行控制的基础,根据姿态控制子系统的数学模型[4],姿态控制系统需要检测的状态有:无人机在机体坐标系下3个轴向的角速度、角度和相对地面的高度。飞控系统担负着传感器信息采集、控制算法解算及通信等各种任务,是整个无人机的核心,其主要功能有: (1)主控制器能快速获得各传感器的数据,并对数据进行处理; (2)传感器实时检测无人机的状态,包括姿态、位置、速度等信息; (3)主控制器能与PC机进行数据交换;(4)系统能进行无线数据传输。
根据四轴飞行器实际的飞行需求,飞行控制系统一般包含主控制器、各传感器模块,通信模块和电源模块等。其中主控制器采集各传感器的信息,通过控制算法求解出4个电机的转速,通过I2C接口发送给电调;惯性测量单元检测无人机3个轴向的角速度和加速度;高度传感器检测无人机的高度;无线数传模块用于传送控制指令,也可以在调试时用于传输传感器数据;电源模块为各传感器和主控制器提供电源。