四旋翼飞行器的设计
摘 要 本论文介绍了一种基于STM32的四旋翼飞行器的设计和实现方法，可以通过2.4G遥控器控制四旋翼飞行器的起飞、飞行、悬停和降落。微处理器采用基于Cortex-M3内核的STM32F103T8，处理惯性测量模块（陀螺仪加速度计MPU6050和气压计MS5611）提供的7个自由维度数据，并通过软件姿态解算（Mahony互补滤波算法）得到飞行器的当前姿态。本设计采用四元数保存飞行器的姿态，并在2.4G遥控器控制的时候，将四元数转换为欧拉角，然后输入到姿态控制算法（PID控制）中，最终输出PWM来控制电机的转速。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景和现状 1
1.2课题的研究方向和内容 1
第二章 四旋翼飞行器相关基础知识 3
2.1飞行器的种类及特点 3
2.1.1直升机 3
2.1.2多旋翼 3
2.1.3固定翼 4
2.2四旋翼飞行器的结构模式和工作原理 4
2.2.1结构模式 4
2.2.2工作原理 5
2.3四旋翼遥控器 6
2.3.1 2.4GHz无线技术简介及其标准 6
2.3.2 2.4G无线通信模块 7
2.4四旋翼飞行器算法设计 7
2.4.1 姿态解算算法 8
2.4.2 姿态控制算法 8
第三章 四旋翼飞行器硬件电路设计 10
3.1微控制器最小系统电路图 10
3.2电源电路 11
3.3锂电池充电电路 11
3.4姿态传感器电路 12
3.5电机驱动电路 13
3.6 2.4G通信电路 13
3.7 USB转串口电路 14
3.8 蓝牙透明传输模块电路 15
第四章 四旋翼飞行器软件算法设计 16
4.1系统初始化 16
4.2姿态解算和双闭环PID控制 17
4.3飞控控制 18
4.4飞行安全控制 19
4.5上位机调试 19
第五章 系统测试
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
20
5.1 2.4G遥控器控制飞行器的飞行测试 20
5.2 2.4G遥控器控制飞行器的自主悬停 21
结束语 22
致 谢 23
参考文献 24
附录A 系统电路原理图 25
附录B 系统硬件PCB图 26
附录C 系统硬件实物图 27
附录D 系统结构框图 28
第一章 绪论
1.1课题研究的背景和现状
1907年，法国Breguet兄弟制造了第一架四旋翼式直升机，因为飞行没有任何控制，所以稳定性很差；1921年，George De Bothezat建造了另一架大型的四旋翼直升机De Bothezat Helicopter，先后进行了100多次飞行试验，但仍无法很好地控制其飞行；1924年，Oemichen的四旋翼直升机首次实现了1km 的垂直飞行实验；1956 年，Convertawing造了一架四旋翼直升机，其螺旋桨直径超过19 英尺，使用两个发动机，并且通过改变每个螺旋桨提供的推力了来控制飞行器；美国陆军研制的VZ7(Flying Jeep)，有效载荷250KG，425马力涡轮发动机驱动，容易起飞，但仍不满足军方的速度和高度要求，1960年被退还给发明人——美国航空事业先驱：柯蒂斯。此后数十年，四旋翼垂直起降机没有大的进展。直到近十几年来，随着微系统、传感器以及控制理论等技术的发展，四旋翼无人机又引起人们极大的兴趣和广泛的研究。
2013年初，中国深圳大疆创新科技有限公司（DJI）推出的四旋翼飞行器Phantom获得了巨大的成功。随后，国内众多生产商加大对多旋翼飞行器的研究开发投入，在多旋翼无人机的地面站控制系统、飞行控制系统、动力系统、机架等方面提供了整套的解决方案。这些研究成果不但推广了多旋翼无人机在航拍、森林防火、农林作业、电力巡线等多个领域的应用，也为工程研究和学术理论作出了贡献。
1.2课题的研究方向和内容
本课题将设计一种基于STM32的四旋翼飞行器，可以通过2.4G遥控器控制四旋翼飞行器的起飞、飞行、悬停和降落。微处理器采用基于CortexM3内核的STM32F103T8，接收陀螺仪加速度计MPU6050、磁力计HMC5883L和气压计MS5611传感器传来的数据，并通过软件姿态解算（Mahony互补滤波算法）得到飞行器的当前姿态。本设计采用四元数保存飞行器的姿态，并在2.4G遥控器控制的时候，将四元数转换为欧拉角，然后输入到姿态控制算法（PID控制）中，最终输出PWM来控制电机的转速。本课题预留了上位机和蓝牙透传模块的接口，上位机能实时便捷地查看飞行器姿态信息，以及PID参数调试等；蓝牙透传模块是考虑到智能机的普及，增加它的适应性和降低成本。
本课题的主要研究内容如下：
(1)构建系统结构框图，分析、选型、论证各个模块的设计方案，最终确认可行的设计方案。
(2)设计可靠的电源电路，为微控制器、姿态传感器模块、蓝牙模块、2.4G通信模块、锂电池充电以及电机等电路提供稳定的电源。
(3)微控制器STM32主控中心的硬件电路设计：MCU外部时钟电路、复位电路、启动模式选择电路、退偶电路、异步串口通信电路、MicroUSB与上位机通信电路、2.4G通信电路、姿态传感器电路以及电机驱动电路。
(4)构建并实现飞行器姿态解算和姿态控制算法，MPU6050的3个维度的陀螺仪值和3个维度的加速度值（每个值16位精度）通过姿态解算算法得到飞行器当前的飞行姿态（以四元数表示法保存），然后将四元数转换为欧拉角，用于姿态控制算法（PID）中。
(5)自主悬停和高度融合，高精度气压计MS561通过气压传感器采集大气压值，然后通过气压转换公式得到起飞地点的绝对高度。用高度作外环，速度作内环形成双环PID控制控制器来调节输出油门实现Z轴的自主悬停。
第二章 四旋翼飞行器相关基础知识
2.1飞行器的种类及特点
飞行器主要分为直升机，多旋翼和固定翼。它们有各自的特点和支持爱好者，同时又是相互联系。掌握了其中的一种就可以融会贯通，举一反三。
2.1.1直升机
直升机是飞行器中最为资深的，也是对操控技术要求最高的一类。非常适合飞行手练习操控技能，能够飞出各种动作，表演具有很强的观赏性。现在很多航模比赛也是以直升机类最受关注且技术含量最高。直升机飞行器如图21所示。
图21 直升机飞行器
2.1.2多旋翼
多旋翼就是常见的四旋翼，六旋翼等飞行器。它是最近几年才兴起的一类飞行器。多旋翼操作简单，入门门槛低，航模爱好者多用于航拍。最近流行使用多旋翼进行第一视角FPV竞速比赛，而且发展势头非常迅猛。多旋翼飞行器如图22所示。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景和现状 1
1.2课题的研究方向和内容 1
第二章 四旋翼飞行器相关基础知识 3
2.1飞行器的种类及特点 3
2.1.1直升机 3
2.1.2多旋翼 3
2.1.3固定翼 4
2.2四旋翼飞行器的结构模式和工作原理 4
2.2.1结构模式 4
2.2.2工作原理 5
2.3四旋翼遥控器 6
2.3.1 2.4GHz无线技术简介及其标准 6
2.3.2 2.4G无线通信模块 7
2.4四旋翼飞行器算法设计 7
2.4.1 姿态解算算法 8
2.4.2 姿态控制算法 8
第三章 四旋翼飞行器硬件电路设计 10
3.1微控制器最小系统电路图 10
3.2电源电路 11
3.3锂电池充电电路 11
3.4姿态传感器电路 12
3.5电机驱动电路 13
3.6 2.4G通信电路 13
3.7 USB转串口电路 14
3.8 蓝牙透明传输模块电路 15
第四章 四旋翼飞行器软件算法设计 16
4.1系统初始化 16
4.2姿态解算和双闭环PID控制 17
4.3飞控控制 18
4.4飞行安全控制 19
4.5上位机调试 19
第五章 系统测试
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
20
5.1 2.4G遥控器控制飞行器的飞行测试 20
5.2 2.4G遥控器控制飞行器的自主悬停 21
结束语 22
致 谢 23
参考文献 24
附录A 系统电路原理图 25
附录B 系统硬件PCB图 26
附录C 系统硬件实物图 27
附录D 系统结构框图 28
第一章 绪论
1.1课题研究的背景和现状
1907年，法国Breguet兄弟制造了第一架四旋翼式直升机，因为飞行没有任何控制，所以稳定性很差；1921年，George De Bothezat建造了另一架大型的四旋翼直升机De Bothezat Helicopter，先后进行了100多次飞行试验，但仍无法很好地控制其飞行；1924年，Oemichen的四旋翼直升机首次实现了1km 的垂直飞行实验；1956 年，Convertawing造了一架四旋翼直升机，其螺旋桨直径超过19 英尺，使用两个发动机，并且通过改变每个螺旋桨提供的推力了来控制飞行器；美国陆军研制的VZ7(Flying Jeep)，有效载荷250KG，425马力涡轮发动机驱动，容易起飞，但仍不满足军方的速度和高度要求，1960年被退还给发明人——美国航空事业先驱：柯蒂斯。此后数十年，四旋翼垂直起降机没有大的进展。直到近十几年来，随着微系统、传感器以及控制理论等技术的发展，四旋翼无人机又引起人们极大的兴趣和广泛的研究。
2013年初，中国深圳大疆创新科技有限公司（DJI）推出的四旋翼飞行器Phantom获得了巨大的成功。随后，国内众多生产商加大对多旋翼飞行器的研究开发投入，在多旋翼无人机的地面站控制系统、飞行控制系统、动力系统、机架等方面提供了整套的解决方案。这些研究成果不但推广了多旋翼无人机在航拍、森林防火、农林作业、电力巡线等多个领域的应用，也为工程研究和学术理论作出了贡献。
1.2课题的研究方向和内容
本课题将设计一种基于STM32的四旋翼飞行器，可以通过2.4G遥控器控制四旋翼飞行器的起飞、飞行、悬停和降落。微处理器采用基于CortexM3内核的STM32F103T8，接收陀螺仪加速度计MPU6050、磁力计HMC5883L和气压计MS5611传感器传来的数据，并通过软件姿态解算（Mahony互补滤波算法）得到飞行器的当前姿态。本设计采用四元数保存飞行器的姿态，并在2.4G遥控器控制的时候，将四元数转换为欧拉角，然后输入到姿态控制算法（PID控制）中，最终输出PWM来控制电机的转速。本课题预留了上位机和蓝牙透传模块的接口，上位机能实时便捷地查看飞行器姿态信息，以及PID参数调试等；蓝牙透传模块是考虑到智能机的普及，增加它的适应性和降低成本。
本课题的主要研究内容如下：
(1)构建系统结构框图，分析、选型、论证各个模块的设计方案，最终确认可行的设计方案。
(2)设计可靠的电源电路，为微控制器、姿态传感器模块、蓝牙模块、2.4G通信模块、锂电池充电以及电机等电路提供稳定的电源。
(3)微控制器STM32主控中心的硬件电路设计：MCU外部时钟电路、复位电路、启动模式选择电路、退偶电路、异步串口通信电路、MicroUSB与上位机通信电路、2.4G通信电路、姿态传感器电路以及电机驱动电路。
(4)构建并实现飞行器姿态解算和姿态控制算法，MPU6050的3个维度的陀螺仪值和3个维度的加速度值（每个值16位精度）通过姿态解算算法得到飞行器当前的飞行姿态（以四元数表示法保存），然后将四元数转换为欧拉角，用于姿态控制算法（PID）中。
(5)自主悬停和高度融合，高精度气压计MS561通过气压传感器采集大气压值，然后通过气压转换公式得到起飞地点的绝对高度。用高度作外环，速度作内环形成双环PID控制控制器来调节输出油门实现Z轴的自主悬停。
第二章 四旋翼飞行器相关基础知识
2.1飞行器的种类及特点
飞行器主要分为直升机，多旋翼和固定翼。它们有各自的特点和支持爱好者，同时又是相互联系。掌握了其中的一种就可以融会贯通，举一反三。
2.1.1直升机
直升机是飞行器中最为资深的，也是对操控技术要求最高的一类。非常适合飞行手练习操控技能，能够飞出各种动作，表演具有很强的观赏性。现在很多航模比赛也是以直升机类最受关注且技术含量最高。直升机飞行器如图21所示。
图21 直升机飞行器
2.1.2多旋翼
多旋翼就是常见的四旋翼，六旋翼等飞行器。它是最近几年才兴起的一类飞行器。多旋翼操作简单，入门门槛低，航模爱好者多用于航拍。最近流行使用多旋翼进行第一视角FPV竞速比赛，而且发展势头非常迅猛。多旋翼飞行器如图22所示。
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