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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。

四旋翼飞行器的控制系统设计与优化一、引言四旋翼飞行器（Quadcopter）作为一种多旋翼飞行器，由于其简单的结构和良好的操控性能，被广泛应用于无人机领域。

控制系统是四旋翼飞行器重要的组成部分，决定了飞行器的稳定性和操纵性。

本文将详细介绍四旋翼飞行器控制系统的设计与优化。

二、四旋翼飞行器的控制方式四电机和对应的螺旋桨通过电调控制转速，产生升力和推力。

四旋翼飞行器通常采用基于PID（Proportional Integral Derivative）的控制方式，通过控制电机的转速以及螺旋桨的角度来调整飞行器的姿态和位置。

三、控制系统的设计1. 传感器模块设计了解飞行器的姿态和位置信息对于控制系统至关重要。

传感器模块通常包括陀螺仪、加速度计和磁力计。

陀螺仪用于测量飞行器绕三个轴的角速度，加速度计用于测量飞行器在三个轴上的加速度，磁力计用于测量飞行器的方向信息。

这些传感器模块需要精确校准，以保证采集到的数据准确可靠。

2. 控制算法设计控制算法是决定飞行器姿态和位置稳定性的重要因素。

常用的控制算法包括PID控制、模型预测控制（MPC）和适应性控制等。

PID控制是基于误差的比例、积分和微分项，通过调整系数来实现对飞行器的控制。

MPC控制是一种基于飞行器数学模型的预测控制方法，通过优化控制信号来实现飞行器运动的最优化。

适应性控制是根据飞行器的实际状态进行动态调整，适应环境变化和干扰。

四、控制系统的优化1. 参数调优控制系统中的参数是影响飞行器响应和稳定性的关键因素。

通过调整参数，可以优化飞行器的控制性能。

一般来说，参数调优是一个迭代的过程，可以通过实验和仿真来进行。

常用的参数调优方法包括试错法和自适应算法。

2. 增强控制系统稳定性为了提高飞行器的稳定性，可以采取一些增强控制系统稳定性的措施。

例如，增加控制环路的带宽，提高控制系统对高频信号的响应；使用卡尔曼滤波器进行信号融合，改善传感器数据的精度和一致性；采用纠错码等方式提高系统的鲁棒性。

基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计引言：四旋翼无人机近年来逐渐走向商业化和日常生活化，广泛应用于航拍、货运、农业等领域。

为了保证飞行器的平稳、安全飞行，需要设计一个可靠的控制系统。

本文基于STM32单片机，设计了一种适用于四旋翼飞行器的控制系统。

一、硬件设计1.主控板主控板采用STM32单片机，该单片机具有高性能、低功耗、强大的控制能力等优势。

它能够完成飞行器的数据处理、控制输出等任务。

2.传感器为了获取飞行器的姿态信息，需要使用加速度传感器和陀螺仪。

加速度传感器用于测量飞行器的加速度，陀螺仪用于测量飞行器的角速度。

这些传感器通常被集成在一块模块上，直接连接到主控板。

3.遥控器为了实现飞行器的遥控操作，需要使用遥控器。

遥控器通过无线通信与主控板进行数据传输，控制飞行器的起降、悬停、转向等操作。

4.电源管理飞行器控制系统需要提供可靠的电源供电。

因此，需要设计一个电源管理模块，包括锂电池、电池充电管理电路和电源开关等。

二、软件设计1.姿态估计通过加速度计和陀螺仪的数据，使用滤波算法（如卡尔曼滤波）对飞行器的姿态进行估计。

根据姿态的估计结果，可以计算出飞行器的控制输出。

2.控制算法针对四旋翼飞行器，常用的控制算法有PID控制算法和模糊控制算法。

PID控制算法通过比较飞行器的期望姿态和实际姿态，计算出相应的控制输出。

模糊控制算法可以根据模糊规则和模糊集合来计算出控制输出。

3.通信模块为了实现与遥控器之间的无线通信，需要使用无线通信模块，例如蓝牙模块或者无线射频模块。

通过与遥控器进行数据传输，可以实现遥控操作，并接收遥控器发送的命令。

三、控制流程1.初始化飞行器启动时，首先进行传感器的初始化，包括加速度传感器和陀螺仪的初始化。

然后进行电源管理的初始化，确保电源供电正常。

2.传感器数据采集通过传感器采集飞行器的姿态数据，包括加速度和角速度。

3.姿态估计根据传感器采集的数据，使用滤波算法对飞行器的姿态进行估计。

基于ARM内核单片机的四旋翼直升机飞行控制系统设计关键字：ARM内核单片机飞行控制图为：STM32物联网云应用开发板摘要：四旋翼直升机具有4个呈交叉结构排列的螺旋桨，其独特的构型能够满足复杂环境中的任务需求。

文中设计了一种四旋翼直升机飞行控制系统软硬件方案，通过传感器实时采集四旋翼的姿态、高度、位置等信息，采用PID算法设计飞行控制律，以ARM Cortex—M3内核高性能单片机作为主控制器。

最后采用CVI开发的地面站软件实现在线数据采集与调参，并通过实际飞行验证了本方案的可行性与稳定性。

关键词：四旋翼直升机；飞行控制；单片机；惯性导航系统四旋翼飞行器(Ouadrotor，Four-rotor，4rotors helicopter，X4-flver等)是一种特殊构型的电动可遥控微型飞行器，它是由4个螺旋桨驱动，通过4个螺旋桨的差速来完成姿态控制。

四旋翼飞行器与其他类型的无人机相比具有许多优点，其中主要是其可垂直起降及机动性强等性能，能够适应各种复杂环境。

因此四旋翼飞行器在民用产品、军事武器等各方面有着广泛的应用前景。

文中将介绍四旋翼飞行器控制系统的软硬件设计方案与实现。

1飞行控制系统总体设计四旋翼飞行器控制系统的设计主要包括主飞行控制板和相关外围电路，结合惯性传感器、超声波传感器、GPS接收机、无线数传模块，并配套自行开发的地面站软件设计实现一套完整的四旋翼飞行器自主飞行控制系统。

四旋翼飞行器飞行控制系统的开发内容主要包括：飞控板及外围电路设计，传感器底层驱动开发，PWM控制信号的混控输出，飞行控制律程序设计以及地面站软件的设计与开发。

飞控系统的总体设计方案如图1所示。

系统核心控制器为一款基于ARM cortex—M3内核的单片机；惯性测量元件(IMU)主要提供解算飞行器姿态的数据等信息；高度传感器采用超声波传感器，输出相对地面的高度信息；接收机接收遥控器发出的杆量信号，这些信号将用于控制器的输入；GPS接收机输出飞行器的位置信息；无线数据传输模块用于飞行器与地面站的数据通信。

四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计1. 引言1.1 研究背景四旋翼飞行器是一种具有垂直起降能力和灵活操控特性的无人飞行器，近年来在军事、民用航空领域得到广泛应用。

四旋翼飞行器的飞行控制系统仍然是一个挑战性问题，需要不断的研究和改进。

在过去的几十年里，飞行控制系统技术取得了巨大的进步，从传统的PID控制方法到现代的神经网络控制和模糊控制方法，不断地推动着飞行器飞行性能的提升。

在四旋翼飞行器这种特殊结构的飞行器上，如何设计一套高效稳定的飞行控制系统仍然是一个值得研究的课题。

通过对四旋翼飞行器的飞行控制系统进行研究与设计，可以进一步提高其飞行性能、安全性和自动化程度，为未来无人机飞行技术的发展奠定基础。

本研究旨在探讨四旋翼飞行器飞行控制系统的设计原理和方法，为实现四旋翼飞行器的稳定飞行和智能控制提供技术支持。

1.2 研究目的研究目的主要是为了探索四旋翼飞行器飞行控制系统的设计与优化方法，以提高飞行器的稳定性、灵活性和控制精度。

本研究旨在深入分析传统飞行控制方法和先进飞行控制方法的优缺点，结合四旋翼飞行器的特点，提出有效的飞行控制系统设计方案。

通过实验验证，验证设计方案的有效性和实用性，进一步完善飞行控制系统的性能。

最终目的是为了提高四旋翼飞行器的自主飞行能力和应用领域的拓展，推动飞行器技术的发展和应用。

希望通过本研究的成果，为未来四旋翼飞行器的设计与控制提供参考和指导，为飞行器的性能优化和智能化发展做出贡献。

2. 正文2.1 飞行控制系统概述飞行控制系统是四旋翼飞行器的重要组成部分，它负责控制飞行器的姿态、位置和飞行参数，以确保飞行器稳定、安全地飞行。

飞行控制系统的设计和实现是四旋翼飞行器研究的关键内容之一。

飞行控制系统通常由传感器、执行器和控制算法组成。

传感器用于测量飞行器的姿态、位置、速度等信息，将这些信息传输给控制算法。

控制算法根据传感器数据计算出合适的控制指令，通过执行器控制飞行器的动作，实现飞行器的姿态和飞行参数控制。

四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计
四旋翼飞行器是一种由四个旋翼组成的无人飞行器，具有升降、俯仰、横滚和偏航等
飞行能力，广泛应用于军事、民用等各个领域。

飞行控制系统是四旋翼飞行器的核心部分，负责控制飞行器的飞行动作和稳定性。

飞行控制系统需要实现飞行器的基本动作控制，包括升降、俯仰、横滚和偏航。

升降
通过控制四个旋翼的转速来实现，俯仰和横滚通过改变旋翼的倾斜角度来实现，偏航通过
改变旋翼的转速差来实现。

飞行控制系统需要根据飞行器的姿态、位置和速度等参数，计
算出适当的控制量，并通过电动调节器或电动转子来实施控制。

飞行控制系统需要实现飞行器的稳定性控制。

由于四旋翼飞行器具有较高的自由度和
灵活性，所以很容易出现不稳定现象。

飞行控制系统需要通过检测飞行器和环境的状态信息，计算出适当的控制量，使飞行器保持稳定飞行姿态。

姿态稳定控制主要通过控制旋翼
转速的反馈来实现，位置和速度稳定控制主要通过控制位置和速度的反馈来实现。

飞行控制系统还需要实现飞行器的导航和定位功能。

导航功能包括路径规划、航迹跟
踪和障碍物避障等，定位功能包括位置估计和姿态估计等。

导航和定位功能可以通过各种
传感器和算法来实现，如惯性测量单元、全球定位系统、气压高度计等。

四旋翼飞行器的飞行控制系统是一个复杂的系统工程，需要集成多种传感器和算法，
实现飞行动作控制、稳定性控制和导航定位等多种功能。

随着人工智能和自动化技术的发展，飞行控制系统将更加智能化和自动化，为四旋翼飞行器的飞行提供更好的保障。

四旋翼飞行器飞行控制系统设计四旋翼飞行器是一种多旋翼飞行器，它采用四个对称分布的电机和旋翼进行垂直起降和悬停，同时通过变化电机转速和旋翼叶片的角度控制飞行方向和姿态。

四旋翼飞行器具有结构简单、起降和悬停稳定等优点，因此被广泛应用于航拍、救援、监测等领域。

在四旋翼飞行器的设计中，飞行控制系统是关键部件，其设计的优劣直接影响着飞行器的性能和安全。

四旋翼飞行器的飞行控制系统由传感器、控制计算单元和执行机构组成。

传感器用于获取飞行器的状态信息，控制计算单元接收传感器信息并进行数据处理和算法计算，最后通过执行机构控制飞行器的运动。

常见的传感器包括加速度计、陀螺仪、气压计和磁力计等，它们可以实时测量飞行器的加速度、角速度、高度和方向。

控制计算单元一般由微处理器或嵌入式系统组成，具备数据处理、算法计算和通信等功能。

执行机构则由四个电机和旋翼组成，通过改变电机转速和旋翼角度实现飞行器的姿态控制和运动。

飞行控制系统的设计需要考虑飞行器的稳定性和操控性。

在稳定性方面，需要设计合适的控制算法使得飞行器能够在各种外界干扰下维持稳定的飞行。

常见的控制算法包括PID控制和模糊控制等，其中PID控制通过调节比例、积分和微分三个参数实现对飞行器状态的控制。

在操控性方面，需要设计合适的操控方式和灵敏度，以便操纵员能够轻松控制飞行器完成特定任务。

常见的操控方式有手柄操控、遥控器操控和手机APP操控等。

飞行控制系统设计中还需要考虑传感器的准确性和响应速度。

传感器的准确性决定了飞行控制系统对飞行器状态的判断和控制的准确性，因此需要选择准确度高的传感器。

传感器的响应速度决定了飞行器对外界干扰的响应速度，因此需要选择响应速度较快的传感器。

此外，飞行控制系统还应具备故障检测和容错能力，以提高飞行器的安全性。

一旦发生故障，控制计算单元应能够及时检测故障并采取应急措施，例如自动返航或降落等。

综上所述，四旋翼飞行器的飞行控制系统是整个飞行器设计中的关键部件。

微型四旋翼无人机控制系统设计与实现微型四旋翼无人机控制系统设计与实现一、引言随着无人机技术的快速发展，微型四旋翼无人机因其体积小、机动性强、操作简单等特点而备受关注。

本文将介绍微型四旋翼无人机的控制系统设计与实现，包括硬件结构设计、飞行控制算法、遥控器与无人机的通信以及飞行状态监测等方面的内容。

二、硬件设计微型四旋翼无人机的硬件结构由四个电机和相应的螺旋桨组成，同时还包括飞控、电池、传感器和通信模块等。

电机通过螺旋桨产生推力，控制无人机的飞行方向和姿态。

飞控是无人机的大脑，通过接受传感器数据并进行计算，控制电机输出相应的信号以实现飞行任务。

虽然整个系统设计较为复杂，但由于无人机体积小，所以硬件结构相对较简单。

三、飞行控制算法微型四旋翼无人机的飞行控制算法通常包括姿态控制和高度控制两部分。

姿态控制通过测量无人机的姿态角度，并计算出所需的姿态角度偏差，然后通过PID控制器调整电机的转速，从而实现姿态的稳定控制。

在姿态控制的基础上，高度控制通过测量无人机的高度，并计算出所需的高度偏差，然后通过PID控制器控制推力大小来调整飞行高度。

四、遥控器与无人机的通信遥控器是无人机和操作员之间的重要媒介，通过遥控器操作，操作员可以实现对无人机的遥控飞行。

遥控器通过无线通信方式与无人机进行数据的传输，包括指令的发送和无人机状态的接收。

在通信方面，常用的方式有无线电通信和蓝牙通信，通过指令的传输和接收，操作员可以实时了解无人机的状态，从而对无人机进行精确的操作和控制。

五、飞行状态监测飞行状态监测是无人机飞行过程中的重要环节，通过监测无人机的各项指标来实时反馈无人机的飞行状态。

常见的监测指标包括无人机的姿态角度、高度、速度、电池电量等，这些指标可以通过传感器的测量得到。

操作员通过监测无人机的飞行状态，可以及时调整飞行控制算法参数，以确保无人机的顺利飞行。

六、结论通过本文的介绍，我们对微型四旋翼无人机的控制系统设计与实现有了初步的了解。

四旋翼无人机设计四旋翼自主飞行器是一种能够垂直起降、多旋翼式的飞行器，其通过自带电源驱动电机来提供动力。

它在总体布局上属于非共轴式碟形飞行器，与常规旋翼式飞行器相比，因其四只旋翼可相互抵消反扭力矩的优点，而不需要专门的反扭矩桨从而使其结构更为紧凑，能够产生更大的升力。

同时又因其具有灵活性高、要求的飞行空间小、能源利用率高、隐蔽性强以及安全性能高等优势，特别适合在近地面环境（如室内、城区和丛林等）中执行监视、侦查等任务，其在军事（电子战）和民用（通信、气象、灾害监测）方面都有很大的应用前景。

另外，新颖的外形、简单的结构、低廉的成本、卓越的性能及独特的飞行控制方式（通过控制四只旋翼的转速实现飞行控制）使其对广大科研人员具有很强的吸引力，成为国际上新的研究热点。

四旋翼飞行器按照四只旋翼和机架布置的方式其飞行控制平台（机架）可以分为十字模式和X模式。

X模式比十字模式灵活，但是对于姿态测量和控制的算法编程来说，十字模式较X模式简单，更容易实现。

X模式通过同时控制两对旋翼转速的大小来实现飞行控制及姿态的调整，而十字模式只要同时控制一对旋翼的转速就能实现相应的飞行动作。

十字模式容易操作，飞行平稳，综合考虑采用十字模式。

四旋翼自主飞行器是由安装在十字型刚性结构的四个电机作为驱动的飞行器。

控制器通过调节四个电机的转速使四个旋翼间出现特定的转速差从而实现飞行器的各种动作。

由于四旋翼自主飞行器是通过增大或减小四只旋翼的转速达到四个方向升力的变化进而控制飞行器的飞行姿态和位置的稳定，相对于传统的直升机少去了舵机调节平衡、控制方向，并且不用改变螺旋桨的桨距角，使得四旋翼自主飞行器更容易控制。

但是四旋翼自主飞行器有六个状态输出，即是一种六自由度的飞行器，而它却只有四个输入，是一个欠驱动系统。

也正是由于这个原因使得四旋翼自主飞行器非常适合在静态及准静态的条件下飞行。

四旋翼自主飞行器飞行控制系统由飞行控制器、各类测量传感器装置、驱动电机、被控对象（飞行器机体）等部分组成，如图1。

四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计四旋翼飞行器是一种由四个旋翼推进的飞行器，它因其灵活性和稳定性而被广泛用于各种领域，如航拍、无人机、军事侦察等。

在四旋翼飞行器的飞行过程中，飞行控制系统起着至关重要的作用，它能够确保飞行器稳定、安全地飞行。

对四旋翼飞行器飞行控制系统的研究与设计显得尤为重要。

四旋翼飞行器的飞行控制系统主要包括传感器、控制器和执行机构三个部分。

传感器用于感知飞行器的飞行姿态及环境信息，控制器根据传感器反馈的信息进行控制指令的生成，执行机构则负责执行控制指令，调节飞行器的姿态和位置。

通过这三个部分协同工作，飞行控制系统能够实现对飞行器的精确控制，确保其稳定飞行。

传感器是飞行控制系统的基础，它能够感知飞行器的姿态、位置、速度等信息。

常见的传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计等。

陀螺仪用于感知飞行器的角速度，加速度计用于感知飞行器的加速度，磁力计用于感知地磁场信息，气压计用于感知大气压力信息。

这些传感器可以为控制器提供飞行器当前的状态信息，从而帮助控制器生成相应的控制指令。

控制器是飞行控制系统的核心部分，它根据传感器反馈的信息，利用控制算法生成控制指令，使飞行器按照预定的轨迹飞行。

常见的控制算法包括PID控制、模型预测控制、自适应控制等。

PID控制是一种经典的控制算法，它通过比例、积分、微分这三个部分来调节飞行器的姿态。

模型预测控制则是基于飞行器的动力学模型，利用预测算法来实现更加精确的控制。

自适应控制则是根据飞行器的实际动态特性，在飞行过程中不断调整控制参数，以适应飞行条件的变化。

这些控制算法可以根据飞行器的具体要求进行选择，以实现对飞行器的精确控制。

针对四旋翼飞行器的飞行控制系统设计，需要考虑以下几个方面：飞行器的动力学特性、飞行任务需求、传感器选择、控制算法选择、执行机构选择。

需要对飞行器的动力学特性进行建模分析，了解飞行器的飞行特性，如姿态稳定性、飞行动力学等。

需要根据飞行任务需求确定传感器的选择，如选择何种陀螺仪、加速度计等。

四旋翼飞行器控制系统设计曹凯;马贝;王翔武【摘要】The quadrotorcraft attitude control is the core of the four rotorcraft control system. In this study, the attitude control system of four rotorcraft is designed by analyzing the flight principle and model of the four rotorcraft. In this system, the STM32 series processor is used as the main chip, MPU6050 triaxial acceleration set, the triaxial gyroscope inertia measurement unit, magnetometer, and other sensors to detect posture information. The system is based on the idea of modular design and the sensor uses a simple structure of the digital interface to exchange data. The closed-loop control of attitude angle is carried out by double closed-loop PID control algorithm. Finally, the experimental results show that the flight effect of the four rotorcraft is stable on the experimental platform, and the system meets the requirements of flight attitude control of four rotorcraft.%四旋翼飞行器姿态控制是四旋翼飞行器控制系统的核心.通过分析四旋翼飞行器的飞行原理,模型建立,设计了四旋翼飞行器的姿态控制系统;在该系统中采用STM32系列处理器作为主控芯片,MPU6050三轴加速度集和三轴陀螺仪惯性测量单元、磁力计等传感器用于姿态信息检测.本文中传感器使用结构简单的数字接口对数据进行交换,运用模块化的思想对系统进行设计.使用PID控制算法进行姿态角的闭环控制,最终实验结果表明,在实验平台上四旋翼飞行器飞行效果稳定,系统满足四旋翼飞行器飞行姿态控制的要求.【期刊名称】《计算机系统应用》【年(卷),期】2018(027)001【总页数】5页(P61-65)【关键词】PID控制;STM32控制器;四旋翼飞行器;姿态控制【作者】曹凯;马贝;王翔武【作者单位】西安工业大学电子信息工程学院, 西安 710032;西安工业大学电子信息工程学院, 西安 710032;西安工业大学电子信息工程学院, 西安 710032【正文语种】中文四旋翼飞行器是指可以实现自主或遥控飞行,且不需要操作人员、具有四个旋翼的飞行动力装置[1];与常规旋翼式飞行器相比,其分布对称、结构简单紧凑、易于维护、机动性能强,不需要类似于直升机上面的尾桨来抵消反扭矩.因此特别适合在空间比较狭小,人员难以到达的地方展开任务.随着微电子和传感器技术等相关科学的不断发展,特别是在民用和军事领域有很多应用,促进了四旋翼飞行器的快速发展[2].可执行的任务越来越复杂和多样化,功能越来越完备,成为世界范围内研究较为热门的一个领域.四旋翼飞行器技术的不断成熟和门槛的逐步降低不断吸引着越来越多的四旋翼飞行器爱好者投入到了四旋翼飞行器的研制中.文献[3]通过对四旋翼飞行器动力学和运动学分析,建立其数学和物理模型,在此基础上提出了一些控制算法,并进行验证.文献[4]采用 Atmega128作为主控芯片,使用了气压传感器,红外传感器,三轴加速度计,两轴陀螺,三轴磁力计等传感器,完成对四旋翼飞行器硬件系统的设计与实现,最终能完成定高,悬停等任务.本文在四旋翼飞行器飞行原理基础之上进行四旋翼飞行器控制系统的硬件和软件的设计,将设计的四旋翼飞行器进行试验试飞,得出相关结论.1 飞行器基本工作原理四旋翼飞行器的控制由四旋翼飞行器上四个电机旋转速度变化来实现的,无需复杂的传动装置,机械结构相对简单.四旋翼飞行器在飞行时的动作可分为6种,即沿轴向的线性运动和围绕轴向的旋转运动.线性运动为沿着 x,y,z方向的运动,线性运动即为前后左右位置上的变化,旋转运动则可分为滚转运动(roll)、俯仰运动(pitch)、偏航运动(yaw).如图1所示,按照布置方式可分为X和十模式.两种模式对于姿态测量和控制而言没有差别.本设计中考虑到四旋翼飞行器前方可能会安装摄像头等一些传感器,为了不遮挡视线,所以本论文中使用X模式布置方式[4].图1 两种四旋翼飞行器模式示意图四旋翼飞行器的运动可以分解为平动与转动两种运动,平动主要研究飞行器的位置,转动则主要分析飞行器的姿态.大地坐标系(惯性坐标系或者导航坐标系,用e、N或者G表示)用于研究飞行器相对大地的运动状态以及空间位置坐标.机体坐标系(用b或B)坐标原点取机体的重心,用于研究飞行器相对于重心的旋转运动,在图2四旋翼飞行器动力模型图中xB方向指向飞行器的前(横滚轴)、yB方向指向飞行器的右(俯仰轴)和zB方向指向飞行器的下(偏航轴)方向.选取导航坐标系N为参考坐标系[5],以坐标轴xN指向北、yN指向东和zN指向重力方向.M和F分别代表飞行器受到转矩和升力.四旋翼飞行器产生基本动作的原理为:由于旋翼飞行器陀螺效应和空气动力扭矩效应的存在,为使其效应消失,四旋翼飞行器上两两相邻的电机转速方向是相反的,保证4个电机转速一致时机身不发生转动.当四个电机转速相同并且同时增大时,四旋翼飞行器升力将克服四旋翼飞行器的自身重力产生Z轴方向垂直向上的力,使得四旋翼飞行器垂直上升.当升力小于重力时,垂直下降,当升力等于重力时,便保持悬停状态.X轴方向的两个电机不同时处于同一水平面时产生的运动叫俯仰运动,即电机1、4的转速不发生变化,电机2、3的转速增大,则会导致电机2和电机3上产生升力不同,从而导致四旋翼飞行器发生X轴方向的俯仰运动.滚转运动和俯仰运动类似,区别在于滚转运动机身是沿着Y轴方向发生倾斜[6].偏航运动中巧妙的使用了于反扭矩的存在,使得四旋翼飞行器跟随旋翼自转.当四旋翼飞行器对应的转速方向相同的两个电机转速和另外两个电机转速速度不一样时,四旋翼飞行器将会顺着电机转速快的那两个电机旋转方向旋转,实现绕Z轴顺时针或是逆时针的变化,即为偏航运动. 图2 四旋翼飞行器动力模型2 系统结构和姿态解算飞行器系统结构图如图3所示.在此系统中磁力计、加速度计、陀螺仪组成姿态测量系统,主控制器将姿态测量系统的数据进行姿态解算得到当前四旋翼飞行器的飞行姿态,再结合遥控器给定的信号作为PID控制器的输入,随后通过PID控制器输出PWM信号到电子调速器,控制电机转速发生不同的变化,实现对四旋翼飞行器姿态的控制.图3 飞行器系统结构图通过姿态测量系统首先的到传感器的原始数据,获取初始姿态,使用四元数对姿态进行更新,为了便于程序实现四旋翼飞行器控制.由于四元数线性方程组计算量小,易于操作,比较贴近工程实际,欧拉角转换成四元数算法进行姿态更新,通过互补滤波器进行姿态修正,然后对四元数进行规范化处理,进行下一次的姿态更新[7].2.1 初始姿态获取在研究物体转动和位置变化中,常用来唯一的确定定点转动位置的三个一组参量,由俯仰角θ、偏航角ψ和滚转角组成,各轴之间的角度变化用欧拉角来表示,需要分别绕三个坐标轴转动三次方能实现.从导航坐标系n到载体坐标系b的姿态转换矩阵如公式(1)所示.欧拉角的更新方程公式(2):2.2 四元数姿态更新定义一个四元数,如公式(3):通过旋转轴和绕该轴旋转的角度可以构造一个四元数,如公式 (4):其中,α 是绕旋转轴旋转角度,cos(βx)、cos(βy)、cos(βz)为旋转轴在 x、y、z方向的分量,由此确定旋转轴.四元数单位化,如公式(5):欧拉角表达形式简单、便于理解,四元数计算过程简单,传感器中以欧拉角形式输出各姿态量,使用欧拉角转四元数的方式作为姿态更新方法.公式(4)和公式(5)是它们之间的相互转化的公式.由四元数表示方向余弦矩阵如下:3 四旋翼飞行器软件系统设计软件系统中的包含的主要模块有主逻辑模块、传感器数据采集模块、数据处理模块、初始化模块、电机驱动模块、无线遥控模块、飞行控制模块、报警模块等.软件设计采用模块化的思想对四旋翼飞行控制系统进行设计,模块主要包括数据采集与处理模块、控制算法模块、指令收发模块等等.系统上电后首先对系统的硬件进行初始化,此过程中完成四旋翼飞行器上各传感器校准以及电子调速器的自检等,此时如果四旋翼飞行器控制板上出现问题,板上的LED等会发出故障信号主要包括各姿态传感器以及电调电机的自检和传感器校准.完成初始化后,系统等待遥控控制指令,判断是否解锁,解锁后STM32对姿态传感器MPU6050采集到的数据姿态解算,然后给每个电机给定一个输出量,实现对四旋翼飞行器的控制,同时四旋翼飞行器上的信息和各个传感器数据传输给上位机,飞行控制主程序流程图如图4所示.图4 飞行控制器主程序流程图图5是捷联式惯性导航原理图,捷联式惯性导航系统在工作时不依赖外界信息,也不向外界辐射能量,不易受到干扰破坏,是一种自主式导航系统.它省去了惯性平台,陀螺仪和加速度计直接安装在飞行器上,使系统体积小、重量轻、成本低、维护方便.此四旋翼飞行器位姿解算中使用的就是捷联式惯性导航.图5 捷联式惯性导航原理图四旋翼飞行器的控制目标是按照操作者的控制在有操作时按照完成指定的操作任务,无操作时保持悬停状态.本文使用PID控制器对四旋翼飞行器进行的姿态控制,原理图如图6所示.PID控制无需对系统进行精确地建模,以姿态欧拉角的期望值与当前姿态角度的计算值之差作为PID控制器的输入,输出PWM控制量到每个电机,三个PID输出量叠加到不同的位置的电子调速器上,驱动电机速度发生变化,使飞行器能够完成三维空间的各种运动[9].图6 姿态 PID 控制整体流程图四旋翼飞行器系统是一个非线性系统,当四旋翼飞行器处于悬停和稳定平稳飞行时,可已经四旋翼飞行器系统近似为线性系统[10].实际对四旋翼飞行器的控制对象是电机和螺旋桨,螺旋桨的转动是通过电机转动而转动,从而产生力矩和扭矩,然后作用于四旋翼飞行器.陀螺仪得到各姿态的角速率,经过积分得到各姿态角.由于对四旋翼飞行器控制时,实时性要求很高,同时微处理器处理信息、发送指令、无刷电机相应都会产生微秒级的延迟.假如不进行校正,会直观地发现滞后比较严重,所以要进行校正,使响应提前达到稳定的范围之内.系统中采用PID控制器,使用比例参数决定系统的相应速度,积分参数消除四旋翼飞行器系统的稳态误差,微分参数可以使整个系统的相位提前,又可以消除飞行器抖动,从而保证整个系统的稳定.根据每个四旋翼飞行器系统的实际情况,选择合适的控制参数才能得到理想的飞行结果.4 结论论文中该系统主控芯片采用STM32F103微控制器,利用四元数算法得到姿态解算,设计了改进的变参数PID控制算法的姿态控制系统.本论文的优点全面分析和设计了四旋翼飞行器的硬件和软件,最终实现四旋翼飞行器指定的功能,并试验.使用STM32芯片,便于以后对功能进行扩展,如添加GPS模块、图传模块等.在于经过大量的飞行测试,表明该飞行控制系统能够实现四旋翼飞行器稳定的姿态控制,实现了定点悬停、定高悬停、前后侧向飞行等功能.图7 四旋翼飞行器室外悬停PID参数的调节需要耐心细致的工作态度才能得到比较好的结果.通过不断地试验,所设计的原型样机已经能够实现平稳的飞行(如图7,飞行器室外悬停),基本达到了预期的目的.参考文献【相关文献】1 米培良.四旋翼飞行器控制与实现[硕士学位论文].大连:大连理工大学,2015.2 郭宝录,李朝荣,乐洪宇.国外无人机技术的发展动向与分析.舰船电子工程,2008,28(9):12–21.3 赵敏.浅谈四旋翼飞行器的技术发展方向.科技创新与应用,2016,(16):100.4 吕强,郭善亮,王冬来,等.基于 DSP 四旋翼飞行器姿态控制系统硬件设计.计算机与数字工程,2011,39(7):144–146.5 刘峰,吕强,王国胜,等.四轴飞行器姿态控制系统设计.计算机测量与控制,2011,19(3):583–585,616.6 张广玉,张洪涛,李隆球,等.四旋翼微型飞行器设计.哈尔滨理工大学学报,2012,17(3):110–114.7 张镭,李浩.四旋翼飞行器模糊PID姿态控制.计算机仿真,2014,31(8):73–77.8 陈永冰,钟斌.惯性导航原理.北京:国防工业出版社,2007.9 张金楼.经济型运动载体航向姿态测量系统的研究与开发[硕士学位论文].西安:西安电子科技大学,2007.10 刘焕晔.小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计[硕士学位论文].上海:上海交通大学,2011.。

四旋翼飞行器控制系统设计首先，我们需要确定四旋翼飞行器的动力系统。

通常，四旋翼飞行器采用无刷电机和电池作为动力源。

电机的选择应考虑到飞行器的重量和所需的推力。

同时，还需要选择适当的螺旋桨，以实现所需的飞行性能。

接下来，我们需要确定传感器系统。

传感器是飞行器控制的关键。

通常，四旋翼飞行器会配备加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计等传感器。

加速度计和陀螺仪用于测量姿态角度，磁力计用于测量地磁场方向，气压计用于测量气压。

这些传感器的测量数据将用于控制算法中的状态估计和姿态控制。

然后，我们需要选择适当的执行器。

通常，四旋翼飞行器采用电调和螺旋桨作为执行器。

电调用于控制电机的转速，从而控制四旋翼飞行器的姿态和推力。

螺旋桨的选择应考虑到所需的推力和效率。

接下来，我们需要设计控制算法。

四旋翼飞行器的控制算法通常分为姿态控制和高度控制两个部分。

姿态控制算法用于控制飞行器的姿态角度，使其保持平稳的飞行状态；高度控制算法用于控制飞行器的高度，使其保持所设定的高度。

常用的姿态控制算法包括比例积分微分（PID）控制器和模型预测控制（MPC）算法等。

最后，我们需要设计飞行器的控制系统架构。

飞行器的控制系统通常分为硬件和软件两个部分。

硬件部分包括传感器、执行器和电调等；软件部分包括控制算法和飞行控制器等。

控制系统架构的设计应考虑到飞行器的实时性、鲁棒性和可扩展性等因素。

总结起来，四旋翼飞行器控制系统设计主要包括确定动力系统、选择传感器、设计执行器、开发控制算法和设计控制系统架构等多个方面。

在设计过程中，需要综合考虑飞行器的性能要求、重量限制、成本限制和工程可行性等因素。

四旋翼飞行器控制系统设计共3篇四旋翼飞行器控制系统设计1四旋翼飞行器控制系统设计目前，四旋翼飞行器正逐渐成为人们探索天空的利器，已被广泛应用于农林、测绘、消防、救援等领域。

四旋翼飞行器是一种类似于昆虫翅膀的结构，由四个电动机和相应的位置悬挂的旋翼组成的，可以在空中实现自主飞行和悬停。

为了使四旋翼飞行器具备更高的稳定性和控制能力，科研人员设计并实现了控制系统，使其能够在空中实现更高效的飞行。

四旋翼飞行器控制系统可分为硬件和软件两部分。

硬件包括传感器、执行机构和控制器等，用于捕获关键飞行信息并实时调节四个电动机的速度。

软件包括程序控制、控制策略和运算等，用于调节控制器各参数以确保四旋翼飞行器飞行安全并正常运转。

传感器是四旋翼飞行器控制系统中的重要组成部分。

传感器能够实时捕获机身姿态、制动和速度等信息，使四旋翼得以实现更高效的控制。

通常使用的传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计和GPS等。

陀螺仪和加速度计用于实时检测飞行器的姿态和制动变化，磁力计用于检测地球磁场方向，以确定飞行器的方向，GPS用于定位飞行器在三维空间中的位置信息。

控制系统执行机构是电动机和旋翼组。

电动机作为控制系统的主要执行机构，它的输出转速与飞行器的自身稳定性和空气动力学相关联。

旋翼组的作用是提供飞行器升力，同时也是控制方向的主要执行机构。

为了确保飞行器飞行的稳定性和响应速度，需要在操作时控制电动机的转速和旋翼的转角。

控制器是四旋翼飞行器控制系统的核心。

控制器是指一组能将传感器信息转化为速度控制信号的电路，以控制电动机输出速度，从而控制飞行器飞行方向、高度等参数。

控制器分为硬件控制器和软件控制器。

硬件控制器主要包括传感器、电动机和电路，用于接收和传递信号。

软件控制器是一组算法，用于控制飞行器的方向、高度和速度等关键参数，使飞行器能够保持稳定的飞行。

控制策略是四旋翼飞行器控制系统的核心。

控制策略包含PID控制、模型预测控制等多种模式。

PID控制模式是最常用的控制模式，可通过这种模式控制飞行器在离目标位置越来越近时减小输出控制。

四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计四旋翼飞行器是无人机中常见的一种飞行器类型，在军事、民用等领域有着广泛的应用。

而对于这种飞行器，飞行控制系统的研究与设计是其性能和稳定性的关键。

一、四旋翼飞行器的工作原理四旋翼飞行器是一种通过四个独立的旋翼进行飞行的飞行器。

它的工作原理是通过调节不同旋翼的转速和倾斜角度，控制飞行器的姿态和飞行方向。

通过这种方式，飞行器可以实现上下、前后、左右的飞行运动，并且可以在空中悬停。

二、四旋翼飞行器飞行控制系统基本组成四旋翼飞行器的飞行控制系统主要由传感器、控制算法和执行器三部分组成。

传感器用于获取飞行器的姿态和状态数据，控制算法用于根据传感器数据计算控制指令，执行器则用于执行控制指令，调节旋翼的转速和倾斜角度。

1. 传感器传感器是飞行控制系统的数据获取部分，主要用于获取飞行器的姿态、位置和运动状态等数据。

常见的传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计等。

陀螺仪用于测量飞行器的角速度，加速度计用于测量飞行器的加速度，磁力计用于测量飞行器的方向，气压计用于测量飞行器的高度。

这些传感器可以提供给控制算法所需的姿态和状态数据，为飞行器的控制提供支持。

2. 控制算法控制算法是飞行控制系统的核心部分，它主要用于根据传感器数据计算控制指令，调节飞行器的姿态和飞行状态。

常见的控制算法包括PID控制、模糊控制、自适应控制等。

PID控制是一种经典的控制算法，它通过比例、积分和微分三部分组成，可以根据误差信号调节执行器输出，实现对飞行器的精确控制。

模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，可以处理复杂的非线性系统，对于四旋翼飞行器的控制具有一定的优势。

自适应控制是一种基于自适应参数的控制方法，可以根据飞行器的动态特性实时调节控制参数，适应不同的飞行环境和工况。

3. 执行器执行器是飞行控制系统的执行部分，主要用于控制飞行器的旋翼转速和倾斜角度，调节飞行器的姿态和飞行状态。

常见的执行器包括电动调速器、舵机等。

四旋翼无人机的编队飞行控制系统设计徐俊，王茂森，戴劲松，王大鹏（南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）来稿日期：2017-10-24作者简介：徐俊，（1991-），男，江苏扬州人，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统控制；王茂森，（1970-），男，江苏南通人，博士研究生，硕士研究生导师，副教授，主要研究方向：机器人传感与智能控制1引言近年来无人机（UAV ）编队飞行已经成为智能控制领域的一个研究热点。

无人机编队飞行，即多架无人机进行某种队形排列组织模式和任务分配的组织模式以适应任务的要求，它既包括队形的产生，保持和变化，也包括飞行任务的规划和组织[1]。

多UAV 编队飞行可以弥补单个无人机执行任务效率低，安全冗余差等缺点，可以执行通讯中继、高精度定位对地攻击、多角度3维立体成像等复杂任务[2]。

通过多无人机的协作，无人机组群飞行有效的延伸无人机的任务执行范围，增强了任务的执行效能和冗余保障，其综合性能与单机相比成几何级的增强，应用范围和任务使命都有了拓展。

国内目前对无人机编队飞行的研究基本上聚集在协同控制方法的研究和实验室仿真阶段。

例如文献[3]对多飞行平台分散化协同控制系统结构以及分散化的规划等技术问题进行了深入研究。

文献[4]提出了一种分布式编队控制器的分散化设计方法，并进行了仿真实验。

在提出了一种基于GPS 坐标控制的编队算法并对算法进行了实验验证。

搭建了稳定的多节点无线通讯链路，解决了数据冲撞以及干扰问题。

最后对无人机群规划的路径和实际飞行路径进行了比较以及对各部分硬软件进行测试，从而验证本系统的精确性和稳定性和可行性。

2编队飞行控制系统总体设计编队飞行控制系统设计主要分为一下几个部分：一是无人机端的飞行控制系统设计，二是无线通讯链路的搭建。

三是编队算法的实现。

2.1控制系统任务规划地面站主要负责整个系统的统筹管理，包括队形目标函数的产生，各个目标航点的计算，对各架无人机的状态包括姿态、高度、速度、位置等的监测。

四旋翼飞行器飞行控制系统设计传感器是飞行控制系统的基础，用于获取飞行器的状态信息。

常见的传感器包括陀螺仪、加速度计和磁力计。

陀螺仪用于测量飞行器的角速度，加速度计用于测量飞行器的线性加速度，磁力计用于测量飞行器的姿态角。

通过这些传感器测量得到的数据，可以确定飞行器的状态，如姿态角、位置和速度。

控制算法是飞行控制系统的核心，用于根据传感器获取的状态信息，计算出飞行器的控制指令。

常见的控制算法包括PID控制、自适应控制和模型预测控制。

PID控制是一种基本的反馈控制算法，其目标是通过比较实际值和期望值的差异，调整执行器的输出，以达到控制目标。

自适应控制算法可以自动调整控制参数，以适应不同的环境和工况。

模型预测控制算法基于飞行器的动力学模型，预测未来一段时间内的状态，并根据预测结果计算控制指令。

执行器是飞行控制系统的输出部分，用于将控制指令转化为实际的动作。

常见的执行器包括电机和舵机。

电机用于驱动旋翼产生升力，舵机用于调整旋翼的角度。

通过调整电机和舵机的输出，可以控制飞行器的姿态、位置和速度。

在设计飞行控制系统时，需要考虑以下几个方面。

首先是传感器的选择和布局。

不同的传感器对飞行器的控制效果有着不同的影响，需要根据具体的需求来选择合适的传感器。

同时，传感器的布局也需要合理，以尽量减小传感器之间的干扰。

其次是控制算法的选择和优化。

不同的控制算法适用于不同的控制任务，需要根据具体的应用场景来选择合适的控制算法。

同时，控制算法的参数也需要进行优化，以提高控制的稳定性和精确性。

最后是执行器的调试和优化。

执行器的输出对飞行器的控制效果至关重要，需要对执行器进行调试和优化，以确保其输出的稳定性和准确性。

综上所述，四旋翼飞行器的飞行控制系统设计涉及传感器、控制算法和执行器。

在设计过程中需要考虑传感器的选择和布局、控制算法的选择和优化，以及执行器的调试和优化。

只有经过合理的设计和优化，才能实现飞行器的精确控制。

基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计四旋翼飞行器是一种由四个旋翼驱动的无人机。

它具有垂直起降和悬停的能力，能够在空中保持稳定飞行。

基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计需要考虑飞行器的姿态控制、飞行模式控制、传感器数据获取与处理等方面，同时还需要实现与地面站的通信和数据传输。

首先，飞行器的姿态控制是控制系统设计的核心。

通过采用传感器获取飞行器的姿态信息，如加速度计、陀螺仪和磁力计等，利用PID控制算法对飞行器进行姿态调整，使其保持平衡和稳定飞行。

STM32可以通过配置外设，如ADC和定时器，来获取传感器数据，同时使用GPIO口来控制电机的转速，实现四旋翼飞行器的姿态控制。

其次，飞行模式控制是四旋翼飞行器控制系统中的另一个重要方面。

飞行模式通常包括手动模式、自稳模式和定点悬停模式等。

在手动模式下，飞行器由遥控器控制飞行方向和速度。

在自稳模式下，飞行器利用姿态控制算法来保持平衡和稳定飞行。

在定点悬停模式下，飞行器根据传感器数据和定位信息，实现在空中固定位置悬停。

通过STM32的串口通信模块与遥控器通信，可以实现飞行模式的切换和控制。

另外，传感器数据获取与处理也是四旋翼飞行器控制系统设计的重要部分。

飞行器需要获取传感器数据，如高度、速度和位置等信息，并进行处理，以进行姿态控制和飞行模式控制。

STM32可以通过配置串口通信、I2C或SPI总线来获取和处理传感器数据，同时利用内部的计算和存储单元进行数据处理和算法运算。

最后，与地面站的通信和数据传输是四旋翼飞行器控制系统设计中的另一个重要方面。

地面站可以通过无线通信方式与飞行器进行通信，获取飞行器的状态信息和传感器数据，并发送飞行指令和控制信号。

通过配置STM32的无线通信模块，如WiFi或蓝牙模块，可以实现与地面站的通信和数据传输。

除了以上提到的关键设计方面，四旋翼飞行器控制系统设计还需要考虑电源管理、动力系统控制（电机控制）、GPS定位和导航等问题。