基于STM32的微型四旋翼无人机控制系统设计—软件设计

毕业设计(论文)开题报告

题目：基于STM32的微型四旋翼无人机控制系统设计—软件设计

院 （系） 电子信息工程学院 专 业电气工程及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师

2017年3月9日

1. 毕业设计（论文）综述（题目背景、国内外相关研究情况及研究意义） 1.1题目背景

微型无人机飞行器（MUAV，Mirco Unmanned Aerial Vehicle）是一种内置控制系统，可以远程操控实现自主飞行的设备。其类型包括固定翼微型飞行器、仿生扑翼微型飞行器及旋翼式微型飞行器。由于它具有隐蔽性强，低成本、低损耗、零伤亡、高机动性等优点，使其迅速从军事领域拓宽到农业、民用和科研等领域。在军事领域，因为具有零伤亡，战场生存能力强等特点，非常适合执行高危险和人类无法参与的任务。在民用上，他也可以代替载人机完成一些任务，比如救援搜索，灾情勘探，气象监测等。

MUAV飞行性能主要包括，起飞着陆性能，姿态变换性能。而这些性能的优劣取决于核心部件--飞行控制系统。随着数字处理器处理速度和能力的不断提高，设计先进的控制系统已经是大势所趋。先进的飞行控制系统使微型无人机能在没有外界干预的情况下自主飞行，完成预先规定的任务。由于微型无人机身有限的负载能力和体积限制，现在的一些导航系统和飞行控制系统很难直接在微型无人机上使用，所以对微型无人机的飞行控制系统的研究意义重大！ 1.2 国内外相关研究情况

国外对于四旋翼的研究非常的活跃，加拿大的雷克海德大学里面的相关研究 人员很早就证明了采用四旋翼设计思路能够实现飞行器的稳定飞行，澳大利亚的 卧龙岗大学相关研究人员已经对四旋翼有了精确的模型建立。各国研究人员也 以此引发了一个四旋翼的研究热潮。下面对部分研究机构所设计的四旋翼做一个 介绍

1）Microdrones MD4-1000四旋翼无人飞行

MD4-1000四旋翼无人机是由德国MICRODRONES公司生产，可垂直起降自动驾驶。机体云台都是采用特殊的碳纤维材料，机身重量轻、强度高，机臂可折叠，方便运输。姿态、高度以及航向参考系统集成了加速度计、陀螺仪、电子罗盘、气压高度计、温度计、湿度计等高精度传感器，相比MD4-200，它的任务载荷大，抗风能力强，续航时间更长，姿态控制更加稳定。

与国外相比，国内对四旋翼无人机的研究起步较晚，尚处于初步阶段。主要有南京航空航天大学、北京航空航天大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、国防科学技术大学等高校的硕士研究生以及一些高新技术企业对四旋翼无人飞行器研究的比较多。值得一提的是于2006年成立的深圳市大疆创新科技有限公司也一直致力于多旋翼无人机的研发创新，研发的主流产品线包括，Ace One系列工业无人直升机飞行控制系统及地面站控制系统，筋斗云系列多旋翼航拍飞行器，包含了高清数字图传的如来系列手持控制一体机等等。如PHANTOM2VISIO+飞行器，它自带云台，可加载高清摄像机，采用三轴陀螺减震和GPS定点定高技术，飞行稳定、 操作简单，又称为会飞的相机。

2本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施

四旋翼飞行器的控制系统由姿态测量系统、飞行控制系统组成。姿态测量系

统实时采集传感器数据，准确估算飞行器的姿态信息。飞行控制系统以控制指令和姿态反馈作为输入，通过姿态控制算法计算出各电机的控制量并发送到电机驱动系统，带动旋翼转动实现飞行的姿态调整。

控制过程简述：通过遥控器向无人机发送控制指令，主控器STM32F107通过SPI,IIC总线采集各姿态传感器的数据,实时计算飞行器相对于地面的姿态角和航向角的变化结合相应的控制律与任务指令比较,输出恰当的PWM 波信号,电调通过PWM处理出相应的电压信号输入给四个电机以此控制电机转速实现自动调整飞行器在空中的姿态与位置。

本课题研究基于STM32的微型四旋翼无人机，它是通过控制四个电机的转速产生的升力来控制飞行器姿态的。本文将采用模块化的设计方法，将软件分为系统初始化模块、传感器数据采集模块、数据处理模块、导航模块、控制模块、无线通讯模块等，然后通过子程序调用和中断的方式将各个模块链接起来。

1）系统初始化主要包括系统时钟、定时器、中断、串口SPI、IIC总线、传感器初始配置、设置参数初始化(控制律参数、滤波器参数、标志变量)。

2)传感器数据采集模块包括：陀螺仪（俯仰角、滚转角、和偏航角）、磁力计（磁场矢量信息）、加速度计（加速度）

陀螺仪通过测量自身的转速状态判断设备的运动状态。例如向前、向后等。磁力计通过测量磁场强度和方向从而定位无人机飞行方向。

3)姿态数据处理模块 主要完成对传感器数滤波融合、姿态计算、数据转换等功能。

姿态计算：在无人机控制中涉及两种坐标系，第一种是地面坐标系E(OXYZ)，主要用来描述四旋翼飞行器的质心相对于起飞点的空间位置，坐标系原点固定于地面上飞行器的起飞点。另一种是机体坐标系B(Oxyz)，该机体坐标系与机体固定连接，用来确定飞行器在空中的姿态，其原点设在飞行器重心处。只有将陀螺仪及磁力计的姿态信息和位置信息解算出来才能更好地控制无人机。

4） 无线通讯模块 这部分包括STM32F107通过RS232接口与遥控器通信的程序和RS485接口与陀螺仪和磁力计之间的通信

初始化：系统时钟、定时器 、IO、中断、 传感器初始化、SPI、IIC、参数设置 开始 飞行控制程序 控制量输出 飞行控制量计算 传感器数据预处理、姿态结算 更新定位信息 获取遥控信息

3本课题研究的重点及难点，前期已开展工作

重点无人机控制系统的核心模块主要是由高精密供电电源部分和微型控制器的最小系统组成。微型控制器的最小系统由STM32单片机及其相关附属电路组成，完成对各种传感器数据的采集、处理运算、高度控制和任务控制等功能，使机载控制系统根据控制算法处理结果输出四路PWM信号控制电机转速，以实现自动调节四旋翼旋转速度来稳定无人机的飞行高度；精密电源为数模转换器、传感器等提供高精度电源，它的目的是确保供电电压稳定、提高电路抗干扰能力以及减小电压的不稳定造成的测量误差。 难点

1）四旋翼飞行器有四个输入量，六个输出量，（三个轴的位移和绕三个轴的姿态角）因此是个典型的欠驱动机械系统。该类飞行器在飞行过程中的非线性等的特，使其数学建模比较困难

2）会受到各种干扰的影响例如阵风，强振动等的影响这些问题也要考虑进去也为软件的设计构成了困难 3）各个子模块程序的编程 4）姿态解算算法

4完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写） （1）1～3周，基本资料的查找，撰写开题报告 （2）4～6周，完成软件的结，构设计

（3）7～11周，完成各个模块程序设计并单独调试 （4）12～15周，软件调试

（5）16～18周，撰写论文，完成毕业设计答辩

参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/oqh3.html