基于单片机的四旋翼飞行器降落伞装置设计

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。

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]。

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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1.基于STM32单片机的三叶浆四旋翼飞行器设计 [J], 周贺
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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大地提高有效载荷量，还能够增强其突防能力。

基于STM32的四旋翼飞行器控制系统文章介绍了基于STM32单片机的X形四旋翼飞行器飞行控制系统。

通过对角速度进行方位余弦计算及与加速度进行互补滤波，得到飞行器的飞行姿态，最终通过PID控制算法控制飞行器的四个电机的推力，使飞行器保证稳定并按照遥控器指令进行飞行。

标签：四旋翼飞行器；STM32；方位余弦；互补滤波1 飞行器研究背景四旋翼飞行器较普通的直升机有机械结构简单，易于制作、易于小型化、同等规模下载重量大等优点，在最近2-3年中逐渐得到关注。

但是，由于四旋翼飞行器自身特性为一个多变量耦合非线性不稳定系统，基本上无法由人直接操控，必须加入自动控制系统来辅助稳定飞行姿态。

所以，四旋翼飞行器自动飞行控制系统性能的好坏直接关系着飞行器飞行性能及操控性。

所以本设计就飞行控制系统的算法以及如何提高控制性能进行研究。

2 飞行器研究方法飞行器的结构形式和工作原理：（1）结构形式多旋翼飞行器的最主要特点就是机械结构简单，不像普通直升机包含大量拉杆、铰链和传动结构，多旋翼飞行器一般采用电机直接驱动旋翼的结构形式，根据旋翼多少的不同，一般可分为四旋翼、六旋翼、八旋翼以及双层四旋翼等，常见多旋翼结构如图1所示。

旋翼的多少主要的区别在于载重能力和抗风能力上的差别，本设计主要研究的是飞行器的智能控制，所以拟采用结构最简单的四旋翼飞行器作为研究对象。

（2）工作原理典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾桨。

他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。

多旋翼飞行器与此不同，以四旋翼飞行器来说，是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。

下面以本设计选取X字四旋翼飞行器为例，介绍本设计的飞行器的飞行原理。

由图2所知，四旋翼飞行器的4个电机转动的方向是不同的，对角的两个电机转动方向必须一致，而相邻的两个电机转动方向必须相反。

基于这个原则，本次研究以图2所示方案安排了电机的转动方向。

摘要本设计采用瑞萨R5F100LEA单片机作为主控制器。

超声波传感器实时发送飞行高度数据给主控系统，主控制器通过判断、分析、处理产生控制信号进而控制各个电机，使其在不同的飞行高度具有不同的速度，保证了飞行器在某一高度范围内飞行；主控制器读取MPU6050陀螺仪的数据，通过对采集数据的分析，使飞行器做出相应的姿态调整，来保持飞行器能够平稳飞行；激光传感器能够对白色场地上的黑线进行识别，达到循迹的目的。

本设计通过对飞行控制系统的总体框架设计，实现了飞行控制系统的硬件设计和软件设计，并对设计中的关键技术问题进行了研究，最终实现了四旋翼飞行器的一键启动自主飞行控制。

关键词：R5F100LEA 传感器姿态控制四旋翼飞行器1. 四旋翼自主飞行器简介1.1 结构形式四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。

四旋翼飞行器的结构形式如图 1.1 所示。

图1.1 四旋翼飞行器结构形式1.2 工作原理传统直升机是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。

四旋翼飞行器与此不同，是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。

由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力部稳定，所以需要一种能够长期保稳定的控制方法。

四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。

但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。

图 1.2 四旋翼飞行器垂直和俯仰运动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。

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大地提高有效载荷量，还能够增强其突防能力。