基于单片机的四轴飞行器毕业设计

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。

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]。

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
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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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。

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。

四轴毕业设计四轴毕业设计一、引言四轴毕业设计是一项极具挑战性的任务，它要求学生将理论知识与实践技能相结合，设计并制造出一架能够稳定飞行的四轴飞行器。

本文将探讨四轴毕业设计的重要性、设计过程中的关键问题以及可能的解决方案。

二、背景随着无人机技术的快速发展，四轴飞行器成为了热门的研究领域。

它具有灵活性高、操控性好等优点，被广泛应用于航拍、农业、救援等领域。

因此，通过参与四轴毕业设计，学生能够深入了解无人机的原理和设计过程，为未来从事相关工作打下坚实的基础。

三、设计过程1. 需求分析在开始设计之前，需要明确设计的目标和需求。

这包括飞行器的最大飞行高度、飞行时间、负载能力等。

通过分析需求，可以为后续的设计和测试提供指导。

2. 组件选择四轴飞行器的设计涉及到多个组件的选择，包括电机、电调、飞控、传感器等。

在选择组件时，需要考虑其性能、可靠性和兼容性。

同时，还需要注意组件的价格和供应渠道，以确保项目的可行性。

3. 结构设计四轴飞行器的结构设计是关键的一步。

它包括框架设计、螺旋桨安装、电池固定等。

设计师需要考虑飞行器的稳定性、重心位置以及对外界干扰的抵抗能力。

通过使用CAD软件进行三维建模和仿真，可以在设计阶段尽早发现问题并进行改进。

4. 控制系统设计四轴飞行器的控制系统是实现稳定飞行的关键。

它包括姿态控制、高度控制、位置控制等。

设计师需要选择合适的控制算法，并将其实现在飞控硬件上。

同时，还需要进行系统调试和参数优化，以提高飞行器的性能和稳定性。

5. 飞行测试设计完成后，需要进行飞行测试来验证设计的可行性和性能。

测试过程中，需要注意安全问题，并进行数据记录和分析。

根据测试结果，可以对设计进行改进和优化，以达到预期的飞行效果。

四、关键问题与解决方案1. 稳定性问题四轴飞行器的稳定性是设计中的一个重要问题。

通过使用加速度计、陀螺仪和气压计等传感器，可以实时检测飞行器的姿态和位置，从而进行控制调整。

此外，使用PID控制算法可以对姿态进行稳定控制。

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：A1 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 测量飞行器加速度以及方向；MEASMS5611气压高度计起到测量飞行器飞行高度的作用；InvenSence MPU6000三轴加速度计/陀螺仪采集姿态变化。

32 2018年•第5期基于S TM 32F 407的四轴飞行器的设计◊内蒙古工业大学赵鑫川王利利四轴飞行器结构简洁，制造材料简单，性价比极高、体积小、可控，不仅可以用于 军事方面监察敌情方和地貌特，也可以用在民用方面，用来航拍，农业植保。

四轴飞行 器STM 32F 407为控制中心，陀螺仪（M P U 6050)作为姿态传感器，实时反映飞行器的姿 态情况，采用P C M 通信协议与遥控器通信。

通过遥控器控制四轴飞行器在空间内自由飞 行。

四轴无人机的产业齡来发展日益腿〇目前四轴5£A 机 的研究方向主要集中在视觉传感器技术的发展以及更稳定的姿 态控制方面。

合成一体的新传感器微型化，使得四轴飞行器的 体积可以大大缩小。

四轴无人机的姿态控制研究主要是对飞行 姿态的数据处理、控制算法的研究。

目前市面上小型四轴无人 机的飞行姿态较为稳定，控制方式相对简单。

因此，本文设计了基于STM 32F 4的四轴无人机，介绍了总体方案设计。

1总体方案四轴无人机主要由控制器STM 32F 407VET 6、2.4GH ®信系 统、电调，无刷电机、信号显示电路、MPU 6050等构成。

整个 供电系统由12 V 锂电池提供，控制系统的电源由电调输出的5 V 稳定电压。

同时，2.4 GHz 的接收机也是通过电调供电。

通过 遥控器发送信号到接收机，接受机收到信号后传送到主控器 里，主控器寵I 2C 协议与麟进行通讯，获取飞行器的姿态数据，在进行解算之后获取了飞行器的状态，之后主控器 根据遥控器的指令，向四个电机发送PWM 信号，达到我们需要 的飞行状态〇图1电滹分配图2通信系统2.4 GHz ®信：四轴无人机采用2.4 GHz 信号传输，遥控器发 出指令，传输到接收机，主控器识别接收器传来的数据，并根 据传输的数据做出相应的飞行动作。

2.4GHziS 信目前被广泛应 用于无人机通信中，并且越来越成熟。

基于STM32四轴飞行器的设计作者：解琛来源：《科学家》2017年第17期摘要四轴飞行器是一种小型的飞行器平台，其控制系统的核心是STM32单片机，具有性价比高、功能强大等特点，基于STM32的飞行器具有十分广泛的用途。

因此，本文就基于STM32四轴飞行器的设计进行了相关介绍，主要内容包括四轴飞行器的动力学分析、基于STM32四轴飞行器的总体设计方案与程序设计以及电子硬件电路与软件程序调试。

关键词四轴飞行器；STM32单片机；电子硬件电路中图分类号 V2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）17-0061-02四轴飞行器由于其体积小、飞行高度与速度较低、飞行状态平稳、灵活等特点，在空间狭小的作业区域具有较高的应用优势。

在实际生活当中，四轴飞行器常被应用与火灾现场探明险情或高层搜救当中；在地震等灾害导致通讯中断的情况下，也可借由四轴飞行器作为空中通讯中转。

四轴飞行器在设计过程中存有很多的技术难点，需要对其实际使用过程中受到的物理效应、气流与环境的干扰等进行重点考量，才能更好地实现其应用价值。

1 四轴飞行器的动力学分析四轴飞行器能够实现的飞行运动包括爬升、横滚调节、下降、俯仰调节、偏航调节，本文选用的四轴飞行器外形呈现为“X”型（如图1所示），电机就安装在“X”的四个角上。

在设计过程中，为避免4个电机同向转动时发生自旋运动，安装时要保证对角电机的转动方向相同，相邻的电机转动方向相反。

关于电机的输出功率，若其提供的升力大于飞行器本身的自重，则飞行器能够垂直升起；若要飞行器降落，则要保持飞行器的输出功率持续降低。

当相邻两个电机的输出功率大于或小于另外两个电机的输出功率时飞行器就能进行向指定方向运动。

若减小对角两个电机的输出功率，同时增加另外两个电机的输出功率，则飞行器能够完成偏航运动。

2 基于STM32四轴飞行器的总体设计方案2.1 飞行器设计方案基于STM32四轴飞行器的控制器即为STM32单片机，在接收到PC端由蓝牙发送的控制或调试指令后，可通过ⅡC接口设置MPU6050传感器，并将传感器的输出设定为DMP的输出模式。

1 引言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。

近年来随着科技的发展，电子元件成本下降，四轴飞行器的小型化、便携化、商业化逐渐成为研究的新方向。

本文设计了一种基于STM32的MINI 四轴飞行器控制系统，飞行器的主体由PCB 板集成各种元器件组成，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HC-05，实现了手机APP 控制四轴飞行器的飞行姿态。

2 飞行原理与传统的固定翼飞行器相比，四轴飞行器的飞行原理相对复杂。

四轴飞行器又名四旋翼飞行器，顾名思义，机身由四个旋翼驱动，即电机带动螺旋桨驱动。

机身大多设基于STM32的MINI 四轴飞行器控制系统设计盐城工学院电气工程学院 胡俊杰 蒋善超摘 要主要介绍了基于STM32四轴飞行器的小型化和便携化，介绍如何通过手机蓝牙控制MINI 四轴飞行器，实现MINI 四轴完成,诸如偏转、俯仰、升降等一系列动作。

机身由PCB 板集成各种元器件组成，主要分为微处理器模块、惯性测量单元、通信模块和动力模块等。

关键词四轴飞行器；STM32；MPU6050；蓝牙控制计为x 型，螺旋桨均匀分布在机身四角，通过改变四个螺旋桨的旋转速度，实现机身的俯仰、转向等。

电机运作时，螺旋桨会产生两个力，一个是升力，一个是与螺旋桨转向相反的反扭矩。

反扭矩会使飞行器沿着螺旋桨旋转的方向自旋，为了抵消反扭矩，通常相邻的螺旋桨旋转方向相反。

具体飞行原理如图1所示。

以x 型四轴飞行器飞行方式为例，四个电机依次编号为1号、2号、3号、4号。

当飞行器自稳定后，1号、2号、3号、4号电机同等加速即为飞行器垂直上升；1号、2号、3号、4号电机同等减速即为飞行器垂直降落。

当飞行器自稳定后，1号、2号电机同等减速，3号、4号电机同等加速，即为飞行器前倾；1号、2号电机同等加速，3号、4号电机同等减速，即为飞行器后倾。