基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计

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本科毕业设计论文

题目：基于STM32的嵌入式四旋翼飞行器

控制系统设计

作者姓名 章志诚

指导教师 专业班级 通信工程1001班

学 院 信息工程学院

提交日期

浙江工业大学本科毕业设计论文

基于STM32的嵌入式四旋翼飞行器控制系统设计

作者姓名：章志诚

指导教师：冯 远 静 教授

浙江工业大学信息工程学院

2014年6月

Dissertation Submitted to Zhejiang University of Technology

for the Degree of Bachelor

Design of Control System for A Quadrotor UAV

Based on STM32

Student: Zhang Zhicheng

Advisor: Professor Feng Yuanjing

College of Information Engineering

Zhejiang University of Technology

June 2014

浙 江 工 业 大 学

毕业设计（论文）任务书

专 业 通信工程 班 级 1001班 学生姓名 章 志 诚 一．设计（论文）题目： 基于STM32的嵌入式四旋翼飞行器控制系统设计

二．原始资料：

波[M]. 北京: 科学出版社, 1984. [3] 王小科. C# 开发实战宝典[M]. 北京: 清华大学出版社, 北京:清华大学出版社, 2000. [9] 计算机操作系统原理与技术[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 用, 2003, 24(3): 170-173. [11] 刘峰, 吕强, 王国胜, 等. 四轴飞行器姿态控制系统设计[J]. 计算机测量与控制, 2011, 19(3): 583-585. [12] 张广玉, 张洪涛, 李隆球, 等. 四旋翼微型飞行器设计

飞行器动力学模型优化[J]. 控制工程, 2013, 1.

三．设计（论文）要求：

机测控软件及虚拟现实的实现。

四．毕业设计（论文）内容：

1设计（论文）说明书（根据大纲要求） 2 设计（论文）图纸框图：上位机测控软件设计框图。

五．毕业设计（论文）工作期限：

任务书发给日期 2013年 12 月 9 日

设计（论文）工作自 2013年 12 月 9 日 至 2013 年 6月 15日

设计（论文）指导教师 冯 远 静

系主任 彭宏

主管院长

基于STM32的嵌入式四旋翼飞行器控制系统设计

摘 要

四旋翼飞行器是无人飞行器中一个热门的研究分支，随着惯性导航技术的发展与惯导传感器精度的提高，四旋翼飞行器在近些年得到了快速的发展。

本文对四旋翼飞行器的控制系统进行设计，并对其姿态估计算法、控制算法以及几种自主悬停算法进行研究并在四旋翼飞行器上实验对比并实现。论文的主要工作和结论如下：

(1) 本文针对四旋翼飞行器的机械结构、硬件、软件底层设计及自行设计的嵌入式遥控的硬件设计、软件底层设计、GUI设计及其软件实现流程进行了解析。

(2) 本文对捷联惯导技术进行了简介，并对四旋翼飞行器进行了基于牛顿-欧拉公式的动力学建模，对其模型进行了降阶，最终简化为二阶系统，使其在工程上得以使用PID控制器及其改进型控制器进行控制。并对方向余弦法与四元数法进行了对比，其中，四元数法计算量小，无奇点，因此，本文最终选择了四元数法进行姿态解算。同时，对几种姿态误差补偿算法：卡尔曼滤波、互补滤波、梯度下降法进行分析对比，最终选择了卡尔曼滤波与四元数法结合进行姿态估计。在控制算法方面，尝试了单级位置式PID与串级PID，相比而言，串级PID响应快，超调量小，因此，本文最终选择了串级PID对四旋翼飞行器进行姿态与高度控制。同时，从微元法出发，尝试了全新的基于惯导与高度传感器的自主悬停算法。

(3) 为了满足调试的需求，本文采用C#编写四旋翼虚拟控制台上位机，该上位机能够实现实时通信，在线控制四旋翼飞行器，在线对四旋翼飞行器进行参数整定并使用DirectX 3D技术对四旋翼飞行器进行了三维模型重构和渲染。结合上位机采集到的实验数据对前文的算法进行了分析对比，并最终得出结论。

关键词： 四旋翼飞行器，姿态估计，串级PID控制，C#，DirectX 3D

DESIGN OF CONTROL SYSTEM FOR A

QUADROTOR UAV BASED ON STM32

ABSTRACT

Quadrotor-UAV is a very hot direction of UAV Study .With the Development of the IMU; Quadrotor-UAV has got rapid development in these years.

This paper designed control system for the Quadrotor-UAV, studying plenty of Attitude algorithms, control Attitude algorithms and self-hovering algorithms and realized it in the Quadrotor-UAV. The main purpose and results of this paper as are that:

(1) Designing the mechanical structure、hardware、software for the Quadrotor-UAV, and also for the remote controller and then analyze the realization.

(2) This paper introduces the SINS and model the Quadrotor-UAV based on Newton-Euler equation, and then simplifies the model. It also compares the direction cosine algorithm and the quaternion algorithm. The quaternion algorithm's calculated amount is quite low and it has no singular point, so I finally choose it to calculate the attitude. Meanwhile, I compare three attitude error-compensation algorithms and finally choose the Kaman-filter with quaternion algorithm to calculate the attitude. About the control algorithm, I tried classical PID controller and cascade PID controller, in a word, the cascade PID controller response quickly and overshoot less. This paper finally uses the cascade PID controller to control the Quadrotor-UAV. On the other hand, I tried new self-hovering algorithm that based on SINS and height sensor.

(3) To meet the need of debug, I use c# to make a Quadrotor-UAV virtual controller upper computer software, it can realize real-time communication, controlling the Quadrotor -UAV, and it use the D3D technique to render the Quadrotor-UAV. With the experiment information, I compared different kinds of algorithms that I mentioned before and finally got a conclusion.

Key words: Quadrotor UAV, Attitude Calculation, Cascade PID Controller, C#, DirectX 3D

目 录

摘要……………………………………………………………………………………………I ABSTRACT ............................................................................................................................. II

第1章 绪论 .............................................................................................................................1

1.1 课题研究的背景与意义 ................................................................................................................. 1

1.2 国内外四旋翼飞行器研究现状 ..................................................................................................... 3

1.3 论文的主要工作 ............................................................................................................................. 5

第2章 四旋翼飞行器原理与硬件及软件设计 ....................................................................6

2.1 四旋翼飞行器原理分析 ................................................................................................................. 6

2.1.1 捷联式惯性导航技术 ........................................................................................................ 6

2.1.2 四旋翼飞行器动力学分析 ................................................................................................ 7

2.1.3 四旋翼飞行器动力学建模 ................................................................................................ 9

2.2 机械结构设计及材料选择 ........................................................................................................... 10

2.3 飞控板硬件电路与底层驱动 ....................................................................................................... 11

2.3.1 MCU及传感器选择 ......................................................................................................... 11

2.3.2 通信模块 .......................................................................................................................... 12

2.3.3 飞控底层驱动 .................................................................................................................. 13

2.4 遥控硬件电路及软件设计 ........................................................................................................... 13

2.4.1 摇杆电位器 ...................................................................................................................... 14

2.4.2 3.2寸触摸液晶 ................................................................................................................ 14

2.4.3 遥控软件设计 .................................................................................................................. 14

2.5 本章小结 ....................................................................................................................................... 17

第3章 四旋翼飞行器控制系统设计 ..................................................................................18

3.1 姿态估计算法 ............................................................................................................................... 18

3.1.1 四元数法 .......................................................................................................................... 18

3.1.2 方向余弦法 ...................................................................................................................... 18

3.2 姿态误差补偿算法 ....................................................................................................................... 19

3.3 姿态估计算法的软件实现 ........................................................................................................... 20

3.4 姿态控制算法 ............................................................................................................................... 23

3.4.1 串级PID控制器 .............................................................................................................. 23

3.4.2 PID算法中积分饱和现象的几种处理方式 ................................................................... 24

3.4.3 PID算法中微分项的几种处理方式 ............................................................................... 25

3.5 定高控制算法 ............................................................................................................................... 26

3.6 基于惯导与高度传感器的悬停算法 ........................................................................................... 28

3.7 控制算法软件实现 ....................................................................................................................... 31

3.8 本章小结 ....................................................................................................................................... 32

第4章 上位机设计及实验结果分析 ..................................................................................33

4.1 上位机功能简介 ........................................................................................................................... 33

4.2 上位机软件设计流程及实现 ....................................................................................................... 35

4.2.1 串口通信 .......................................................................................................................... 36

4.2.2 上、下位机通信协议 ...................................................................................................... 37

4.2.3 波形显示及分析 .............................................................................................................. 38

4.2.4 彩色及灰度图像显示 ...................................................................................................... 38

4.2.5 状态参数显示及报警 ...................................................................................................... 39

4.2.6 三维姿态重构 .................................................................................................................. 40

4.2.7 飞行器远程控制及参数设定 .......................................................................................... 40

4.3 实验结果分析 ............................................................................................................................... 41

4.4 本章小结 ....................................................................................................................................... 46

第5章 总结 ..........................................................................................................................47

5.1 回顾 ............................................................................................................................................... 47

5.2 展望 ............................................................................................................................................... 47

参考文献 ..................................................................................................................................49

致谢…………………………………………………………………………………………..51

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景与意义

在当下的信息化战争中，低投入、高精度成为了信息化战争的重要指标。无人机的普及，对现代化信息战争有着许多无可比拟的优势。在几次局部战争中，无人机都得以应用。四旋翼飞行器的准确度、高效性以及灵便的侦查能力得到了充分的发挥，并且促进了四旋翼飞行器的军事应用和装备技术等相关问题的研究和发展。在本世纪的陆地战争、海洋战争甚至是空中的战争，都出现过许多无人驾驶的武器，它们自行进行着军事活动。

无人机的发展中，以四旋翼飞行器的发展最为突出。它以其强稳定性，低成本、高效益在战争中得到广泛的应用。即使如此，仅仅几次局部战争中所运用的飞行器，也只是局限于应用在无人侦察机，干扰微高空电子，以及照相侦查等相对比较简单的任务 。但是，目前的几种应用仅实现了很小一部分，因此，世界各国对军事无人机技术的研究和开发都在迅猛地发展着。比如美国使用的无人侦察机“捕食者”和“全球鹰”，任务完成率高达77.2%。在伊拉克战争中，“龙眼”，“影子”等无人机为获取情报提供了很大的帮助。在未来的信息化战争中，其地位将会得到很大的提升[1]。

因为四旋翼飞行器有着许多优势，其智能化的普及和低成本的特点也越来越受到消费者的喜爱。除了最基本的供学习娱乐的功能外，在拓展了许多外部设备，以及加入了一些控制算法后，四旋翼飞行器的优势则更加明显了。四旋翼飞行器可以进行各个方面的作业，如航拍功能、搜索功能等等。

随着人工智能化的应用与普及，智能机器人的使用也渐入高潮，一些人工智能的设备普及以及新的信息技术功能的实现使得智能化普及于现代社会。

四旋翼飞行器就是很好的体现。其具有以下特点：

(1) 体积较小可以工作在许多狭小的空间中，如深井、巷道、洞穴、管道等。

(2) 可以工作在恶劣的，危害人类健康和生命的环境中 ，从而最大限度地减少人员伤亡，四旋翼飞行器可以全天工作，无需休息，工作效率高。

(3) 支持配备高端的电子产品，多种外设相连接，如照相机、机械臂等，可以实现多种功能。

(4) 机械简单，能够避免复杂的空气动力学问题。

军事上，无论直升机有多么先进，在进入战局的时候，或多或少都会成为首要打击目标，如果仅仅是一些普通的侦察机，则可能受到敌方打击而造成不必要的机体人员伤亡，因此，无人的四旋翼直升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，具有震颤小、噪声小、可靠性高、成本要求低、反侦察能力强、自我销毁等优势。因此，四旋翼飞行器的军事价值不可估量[2]。

在社会上，四旋翼飞行器的运用也是多方面的，除了最基础的供学习参考、娱乐休闲的功能外，还具有实际意义的价值。比如，在拓展外部摄像头的情况下，可以实现地形地貌航拍功能，为地质测量提供数据支持；进行野外探寻，高空寻找失散物；对森林火灾进行现场航空拍摄，得到控制。在外拓一些温湿度传感器，大气微粒传感器等设备外，还可以对高空空气质量状况提供详细数据。

同时，四旋翼飞行器还有着更为广阔的前景有待开发。可以通过飞行器的智能算法来实现人与飞机、飞机与飞机之间的互动；可以通过飞行器的智能化管理实现飞行器帮助人进行一些基本行为，比如帮人取物件，和人打乒乓球等等活动。因此，从各个方面看，四旋翼飞行器的普及，可以大大降低成本，减小安全隐患，解放一些客观因素的束缚。实现多方面的利益，因此其潜力很大[3]。

尽管四旋翼飞行器已经在许多领域得到了运用，但是总体而言依然处于初步发展阶段。四旋翼飞行器将机器人技术、电子信息技术、通信技术、信号处理技术、视频图像处理技术，控制算法等多门技术融为一体，具有很高的可开发性。本文进一步对四旋翼的研究，在大幅提高其性能的同时，也大大推动了四旋翼飞行器的发展。

与传统的人工作业比起，四旋翼飞行器在各个方面都有很大的现实效益，同时还能保证工作人员的生命财产安全。最大限度的利用工具创造更多的价值。从军事角度来比较，无人四旋翼飞行器的运用，可以使得传统的侦察机效率大大提高。成本低、隐蔽性强、安全、信息获取能力强、保密性强 。从工业作业作对比，工业的环境可以多种多样，高温、强辐射、高空、空间狭小、有毒等环境完全可以代替人完成其任务。甚至比人工完成的效率还要高，效率得到最大化。同时，如果发生森林火灾，或者是灾后搜索，仅仅凭借人类劳动力去搜索，那将会是一个很大的工程，并且需要花费很大的人力物力，同时时间将会很长，甚至会导致错过最佳救助时间，如果使用四旋翼飞行器，在空中对灾害处进行定点搜索，然后缩小范围搜索，可以很好地探寻到所需的目标，极大地提高

了效率，并且成本较低。

因此，四旋翼飞行器的研究生产，是十分符合当今社会发展的趋势的。研究发展四旋翼飞行器也具有巨大的现实效益。

1.2 国内外四旋翼飞行器研究现状

遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国Dfaganflyer公司研制的Draganlyer III和香港银辉玩具制品有限公司研制的X.UFO。Draganflyer III是一款世界著名的遥控航模四旋翼飞行器，主要的用途是航拍。其机体最大长度为(翼尖到翼尖)76.2cm，高18cm，重481.9g：旋翼直径28cm，重69g；有效载荷113.9g；可持续飞行16--20min。Draganflyer III采用了碳纤维和高性能塑料作为机体材料，其机载电子设备可以同时控制4个电机的转速。此外，它还使用了3个压电晶体陀螺仪进行姿态增稳控制。X.UFO的机体最大长度为68.5cm，高14cm；持续飞行时间约为5分钟；其遥控距离可达100m。X.UFO的旋翼被置于发泡聚丙烯成的圆环中，比Draganflyer III有更好的安全性。世界上对小型四旋翼飞行器的研究主要分为在3个方面：基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方案，其典型代表分别是：瑞士洛桑联邦科技学院、宾夕法尼亚大学和佐治亚理工大学。

国内研究四旋翼飞行器的典型代表有：哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学等。如图1-1、1-2为不同机械结构的四旋翼飞行器。

图1-1 航拍中的四旋翼飞行器

(a) 四旋翼飞行器1 (b) 四旋翼飞行器

2

(c) 四旋翼飞行器3 (d) 四旋翼飞行器4

图1-2 各种不同的四旋翼飞行器

尽管近年来，国内外四旋翼飞行器的研究进行得如火如荼，无论是民用还是商用的四旋翼飞行器都得到了快速的发展，然而，四旋翼飞行器的相关技术中依然有许多不足：由于传感器误差导致的长期姿态估计产生的积分漂移误差、强烈的外界干扰下的控制系统震荡等不稳定因素。因此，姿态估计算法的精度与长期稳定性、控制算法的精度及稳定性以及路径规划等问题成为了当前四旋翼飞行器研究的热点。

1.3 论文的主要工作

本文主要从四旋翼飞行器的控制系统设计展开，着重对姿态估计算法，控制算法进行讨论，并对其中的几种算法进行对比与实验，同时对自主设计的四旋翼虚拟控制台上位机以及嵌入式遥控的功能及实现进行详细的阐述。

本文分为五章，各章的主要内容如下：

第一章主要分析了四旋翼飞行器的国内外研究现状及发展趋势，并提出了本文的主要研究内容。

第二章对四旋翼飞行器的原理、机械结构设计、硬件设计、软件底层驱动设计以及嵌入式遥控的硬件、软件底层设计进行了介绍。

第三章针对几种不同的姿态估计算法进行对比实验并得出结论，最终结合该姿态估计算法，对几种四旋翼飞行器的控制算法进行了分析与实验。

第四章介绍了四旋翼飞行器虚拟控制台上位机的设计思路及其实现并结合上位机中得到的实验数据对上一章实验的姿态估计与控制算法进行了分析对比，并最终得出结论。

第五章主要总结了本文的实验结果与结论及不足之处，并对未完成的部分及未来的研究方向提出一些设想。

第2章 四旋翼飞行器原理与硬件及软件设计

本章将首先介绍四旋翼飞行器的核心技术——捷联惯性导航技术，其次，将对四旋翼飞行器的原理进行动力学模型，四旋翼飞行器的机械结构及其硬件部分是搭建飞行器实验平台的基础，因此本章将着重介绍四旋翼飞行器的机械结构与硬件电路设计。

2.1 四旋翼飞行器原理分析

2.1.1 捷联式惯性导航技术

在军、民领域中的各类飞行器上，惯导系统作为一种现代化导航设备已被广泛应用，尤其在现代军事航空领域中发挥着举足轻重的作用。早期的惯导系统由于采用了机械式精密稳定平台，被称为平台式惯导系统，它不仅体积大、重量重、可靠性低、维护复杂、费用昂贵，而且系统性能还受到机械结构的复杂性和极限精度的制约。随着计算机和微技术的迅猛发展，利用计算机的强大运算能力和控制功能代替传统机电系统成为可能。于是，一种新型惯导系统--捷联惯导系统从20世纪60年代初开始发展起来，尤其在1969年，捷联惯导系统作为“阿波罗”13号登月飞船的应急备份装置，在其服务舱发生爆炸时，将飞船成功地引导到返回地球的轨道上时起到了决定性作用，成为捷联式惯导系统发展中的一个里程碑[4]。

捷联惯导系统（SINS）是在平台式惯导系统基础上发展而来的，它是一种无框架系统，由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成。其飞行器姿态数据通过计算机计算得到，故有时也称其为"数学平台"，这是捷联惯导系统区别于平台式惯导系统的根本点。由于惯性器件有固定漂移率，会造成导航误差，因此，远程导弹、飞机等武器平台通常采用指令、GPS或其组合等方式对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。

惯导系统基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，之后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等。

在捷联惯导系统中，有以下独特优点：

(1) 去掉了复杂的平台机械系统，系统结构极为简单，减小了系统的体积和重量，

同时降低了成本，简化了维修，提高了可靠性。

(2) 无常用的机械平台，缩短了整个系统的启动准备时间，也消除了与平台系统有关的误差。

(3) 无框架锁定系统，允许全方位（全姿态）工作。

(4) 除能提供平台式系统所能提供的所有参数外，还可以提供沿弹体三个轴的速度和加速度信息。

但是，由于在捷联惯导系统中，惯性元件与载体直接固连，其工作环境恶劣，对惯性元件及机载计算机等部件也提出了较高的要求。

(1) 要求加速度表在宽动态范围内具有高性能、高可靠性，且能数字输出。

(2) 因为要保证大攻角下的计算精度，对计算机的速度、容量提出了较高的要求。

2.1.2 四旋翼飞行器动力学分析

四旋翼飞行器通常具有两种不同的飞行方式：X型与十字型。X型飞行方式的四旋翼飞行器的姿态改变方向与机身成45度，十字型飞行方式四旋翼飞行器姿态改变方向与飞行器机身相同。采用十字型飞行方式的飞行器的螺旋桨分布在机体坐标系的坐标轴上，因此方便理论分析与控制，因此本文采用了十字型的飞行方式。然而X型飞行方式的飞行器具有更好的控制灵敏度与稳定性，但其物理模型较为复杂。如图2-1为十字型与X型四旋翼飞行器动力学模型[5]。

X

Y

（a） X型飞行方式 （b） 十字型飞行方式

图2-1 四旋翼飞行器动力学模型

四旋翼飞行器飞行时螺旋桨高速旋转会产生与螺旋桨转向相反的反扭矩。反扭矩会造成飞行器沿着螺旋桨旋转的方向自旋，若不能抵消反扭矩会严重影响飞行器的稳定飞行，因此，四旋翼飞行器通过合理地安排四只螺旋桨的转向来抵消各个螺旋桨产生的反扭矩。如图2-1（b）所示为十字型飞行方式的四旋翼飞行器，其中顺时针编号1、2、3、4，为了抵消螺旋桨的反扭矩，因此，使得1、3号螺旋桨顺时针旋转，2、4号螺旋桨逆时针旋转，即对角线上的螺旋角旋转方向相同，以此抵消相互之间的反扭矩[6]。

四旋翼飞行器的飞行方向与速度都是由飞行器的倾角决定的，飞行器的倾角方向即飞行器的前进方向，而飞行器的倾角越大，其飞行速度也越快。通过调节各个螺旋桨的转速可以达到控制飞行器的姿态、速度、甚至是飞行路径的效果。其中，四旋翼飞行器飞行的姿态控制主要包括高度控制、俯仰角控制、横滚角控制、偏航角控制，可以继续分为：上升、下降、前倾、后倾、左倾、右倾、左旋、右旋。本文采用了十字型的飞行方式，因此着重对十字型飞行方式的姿态控制原理进行分析：

(1) 高度控制：当四个螺旋桨转速相同时，当其同时加速时，螺旋桨升力变大，当升力大于飞行器重力时，飞行器拥有向上运动的加速度；当四个螺旋桨同时减速时，螺旋桨产生的升力变小，当升力小于飞行器重力时，飞行器拥有向下运动的加速度。

(2) 俯仰控制：本文将1、3号螺旋桨所在的轴向方向定义为X轴方向，2、4号螺旋桨所在的轴向方向定义为Y轴方向，因此，绕着Y轴方向旋转时，所进行的控制为俯仰控制。2号螺旋桨转速减小，4号螺旋桨转速增加，飞行器产生左倾；反之，则右倾。

(3) 横滚控制：与俯仰控制相似，绕着X轴方向旋转时，所进行的控制为横滚控制。1号螺旋桨转速减小，3号螺旋桨转速增加，产生前倾；反之，则后倾。

(4) 航向控制：当1、3号螺旋桨转速同时减小，其反扭矩和升力减小；2、4号螺旋桨转速同时增加，其反扭矩和升力增加，由于反扭矩出现不平衡，因此飞行器开始左旋；反之，则右旋。

2.1.3 四旋翼飞行器动力学建模

通过上一节四旋翼飞行器的原理分析，可以得知四旋翼飞行器时一个非线性、多变量、高度耦合、欠驱动系统（6个自由度，4个输入量）。针对该非线性系统，对整个系统进行动力学建模比较复杂，为了简化模型，本文对四旋翼飞行器建模有如下假设条件：

(1) 机体坐标系原点与飞行器质心重合。

(2) 除螺旋桨旋转产生的气流外，空气流速为零。

(3) 四旋翼飞行器与螺旋桨都为刚体。

(4) 机体所受空气阻力忽略不计，不考虑地效。

(5) 螺旋桨产生升力与螺旋桨转速的平方成正比，螺旋桨旋转时产生的反扭矩与螺旋桨转速成正比。

对四旋翼飞行器进行建模首先要解决坐标系建立的问题，合理的坐标系可以简化建模的过程。为了完成四旋翼飞行器的控制，本文定义了两个坐标系：重力坐标系E和机体坐标系S，两者均为右手坐标系。其中机体坐标系以1号螺旋桨反向为X轴正向，4号螺旋桨方向为Y轴正向，重力坐标系E的定义方向类似[7]。

在地面坐标系中对飞行器的位置和姿态进行定义，而四旋翼飞行器的自身传感器数据为载体坐标系下的测量数据，因此当向量在两个坐标系之间转换时需要通过旋转矩阵来实现。

在进行四旋翼飞行器的动力学建模时，需要考虑两种运动：平移和旋转。针对这两种运动方式建模的依据为牛顿-欧拉方程：

. F mV (2-1) . M H

其中F为四旋翼飞行器收到的外力和，m为四旋翼飞行器的质量，V为四旋翼飞行器的飞行速度，M为四旋翼飞行器所受的力矩之和，H为四旋翼飞行器相对于地面坐标系的动量矩。F mV是牛顿第二定律构建的针对四旋翼飞行器的平移运动的平移方程，M H是欧拉方程，描述刚体旋转运动的旋转方程。设 为俯仰角， 为横滚角， 为航向角，根据欧拉方程M H可以得到三轴力矩平衡方程：

. .. (U K )/I 2y y M /Iy

. .. M /Ix (U3 Kx )/Ix (2-2)

. .. M/I z (U4 Kz )/Iz

由于四旋翼飞行器一般的飞行姿态变化较小，因此可以忽略空气阻力的影响，由此得到简化后的动力学模型：

..

U2/Iy

..

U3/Ix (2-3)

.. U4/Iz

由此可以看出，四旋翼飞行器的姿态控制简化模型中，对于任意一个角度而言，都是一个二阶系统，因此本文将采用PID控制器对其进行控制。

2.2 机械结构设计及材料选择

四旋翼机架的型号为F450，重量282克，电机轴距450mm，螺旋桨采用1047型，电机则采用朗宇X2212，980KV无刷电机，电调为好盈30A电子调速器，持续电流30A，短时电流40A，最高转速：2极马达210000转/分钟，重量：37g。电池则采用了2200mah锂电池，该部分如图2-2所示。

（a） 朗宇X2212无刷电机 （b） 好盈30A电调

（c） 2200mah锂电池 （d） 组装后的四旋翼飞行器

图2-2 四旋翼飞行器机械结构及硬件

2.3 飞控板硬件电路与底层驱动

如图2-3所示为飞控板硬件电路结构图。

图2-3 飞控板硬件电路结构图

2.3.1 MCU及传感器选择

基于资金和性价比考虑，本文选择STM32F103VET6单片机作为飞控系统的主控芯片。STM32F系列属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3。而STM32F103VET6拥有512K FLASH以及72M主频，芯片集成定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多种功能，能够满足飞控的所有需求。

传感器采用GY-86模块与超声波HC-SR04，它是一个9轴模块，其集成了三轴陀螺仪与三轴加速度传感器MPU6050以及三轴磁力计HMC5883L，同时还配有高精度气压计MS5611。

2.3.2 通信模块

首先使用的通信模块为NRF24L01，该无线工作在2.4G频段，使用SPI协议对其进行读写操作。在不使用功放的情况下，其具有10米左右的通信距离，该距离过短。同时，其一次最多发送32个字节，因此，若数据帧超过32个字节，则需人为进行分包处理。由于系统中的数据帧为72个字节，分包处理显得较为繁琐，于是，本文最终选择使用蓝牙4.0模块HM-10代替NRF24L01。

蓝牙4.0是2012年最新蓝牙版本，是3.0的升级版本；较3.0版本更省电、成本低、3毫秒低延迟、超长有效连接距离、AES-128加密等功能。更重要的一点是蓝牙4.0的通信距离可以达到60米左右，美中不足的是它的数据传输能力较蓝牙2.1有所下降，当传输周期较短时会出现丢包现象，因此，本文将通信周期限制在40MS左右，这也基本满足了控制的需求。如图2-4所示为通信模块原理图。

图2-4 通信模块原理图

2.3.3 飞控底层驱动

底层驱动主要使用到的部分如下：

(1) USART：

用于调试程序以及蓝牙串口的通信。

(2) ADC：

用于读取电源的电压值，确保四旋翼飞行器具有安全的系统供电。

(3) I2C：

用于读取GY-86模块的值，此处使用GPIO模拟I2C。

(4) GPIO：

用于控制LED的现实，通过不同的闪烁以及亮灭提示四旋翼飞行器的状态。

(5) SYSTICK：

滴答定时器，用于系统的精确定时。

(6) TIM定时器的PWM通道：

使用TIM3的PWM功能输出4路不同占空比的PWM波通过电调控制无刷电机的转速。

2.4 遥控硬件电路及软件设计

图2-5 遥控硬件电路结构图

如图2-5所示为飞控板硬件原理图。采用的主控芯片与通信模块与飞控板相同，因此不再赘述。

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