stm32四旋翼飞行器的设计与制作
摘 要 1一、绪论 3（一）课题研究背景与意义 3（二）飞行器的研究现状 3（三）论文的主要工作 4二、四旋翼飞行器的原理与模块介绍 5（一）四旋翼飞行器的基本原理介绍 5（二） 四旋翼飞行器硬件系统架构 6（三） 四旋翼飞行器模块功能介绍 6三、四旋翼飞行器飞行姿态控制算法实现 9（一）姿态估计算法 9（二）姿态估计算法的软件实现 10（三）姿态控制算法 12（四） 控制算法软件实现 15（五）本章小结 16四、软件设计 16五、设计成果分析 17（一） 实物展示 18（二）飞行器的操作方法 18六、 总 结 19参 考 文 献 19致 谢 20附录1 飞行器元器件清单 21附录2 原理图 22附录3 PCB图 24附录4 部分程序 25摘 要 本论文研究的四旋翼飞行器属于无人机的一种，拥有四个对称十字交叉分布螺旋桨。设计的飞行器以STM32F103C8T6单片机作为主控芯片；MPU9250作为主要传感器；通讯模块主要由SI4432高性能射频收发器无线模块电路、串口显示灯电路和串口通信接口电路组成；电机驱动模块主要由MOS管构成电机驱动电路组成；电源模块主要包括三部分：一部分为稳压输出3.3伏，一部分为遥控器的USB电路，还有一部分为电池充电电路。为减小反扭力对飞行器的影响，运用牛顿第三定律，相邻两个扇叶转向相反，作用力相等，因此彼此消除作用力，减小干扰。对于控制算法上，用到了比较广泛且使用的串级PID。并且让它超复数运算，设计自主悬停，灵敏性高且稳定性好。具有体重轻，消耗电量较小，而且便于携带等特点。现在四旋翼飞行器越来越受到关注，在生活和军事上都有着广泛地应用，例如空中勘测、地面勘察、数据采集、各种灾害救援等。
目录
ABSTRACT
In this paper, the four rotor aircraft is a kind of unmanned aerial vehicle (UAV), which is composed of four symmetrical cross distributed propellers. The design of the aircraft to STM32F103C8T6 as the master chip MPU9250 as the main se
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nsor;; communication module is mainly composed of SI4432 high performance wireless RF transceiver module circuit, serial display circuit and serial communication interface circuit; motor drive module is mainly composed of MOS tubular motor driving circuit; power supply module mainly includes three parts: one part is the regulated output 3.3 V, part of the USB circuit for remote control, and is a part of the battery charging circuit. In order to reduce the effect of the anti torque on the aircraft, the two laws of the Newtons third law are applied to the opposite direction and the force is equal. For the control algorithm, the use of a more extensive and the use of cascade PID. In addition, the use of super complex operation, the design of independent hover, high sensitivity and good stability. With light weight, small power consumption, and easy to carry and so on. Now more and more attention has been paid to the four rotor aircraft, which has a wide range of applications in both life and military, such as aerial reconnaissance, ground survey, data acquisition, disaster relief and so on.
Keyword ： STM32F103C8T6 microcontroller, attitude control algorithm, four rotor aircraft
一、绪论
（一）课题研究背景与意义
由于现代科技的快速发展，越来越多的人投入于无人机的研发，随之而来四旋翼飞行器也得到了蓬勃发展。四旋翼飞行器之所以被如此广泛地应用，相对于比例大小相近的传统遥控直升飞机来说，它有着许多不可比拟的优点。主要优点有：四旋翼飞行器是利用桨片与空气的反作用力来作用于机体，实现飞行器的起降及改变各种姿态，机体可承受一定的冲击干扰，大部分无人机都可以多次回收利用，从而降低了成本。与人工直接驾驶的飞行器相比，无人机不需要搭载支持飞行员的生命支持系统，可以降低飞行器本身的重量，机体可以制造的较小，能提高飞行器的灵活性，操作中对人员的伤害也小。在未来的信息化中，将会有很大的发展空间[1]。目前无人机不仅应用于学习和娱乐等生活方面，大型无人机还用作特殊搬运、军事用途等方面。四旋翼飞行器在大型活动时可以进行航空拍摄取景、气象探测及搜查东西等等，其更广阔的前景在于，大量的新功能与新用途不断被开发出来，比如航拍、植保、巡检、战地检测、目标攻击及救援等等，从而给四旋翼飞行器带来了无限的前景与商机。对于刚刚起步的四旋翼飞行器市场而言，很多的功能和应用前景仍然是一片蓝海，等待科研开发人员和爱好者去开拓。
四旋翼飞行器主要有以下特点：
四旋翼飞行器的体积相对较小，即使在狭小房间也不会影响它的工作，比如在
隧道这种黑暗狭小的地方；
2.人要是长时间在恶劣的环境下进行工作，会对身体健康产生影响。我们如果用飞行器代替人去工作就可以减少人员的伤亡，而且飞行器成本不高，性能稳定，执行效率高；
3．飞行器在最基本的飞行功能上还可增加其他高端设备，从而增加它的功能，比如摄像头，手臂等。在噪音足够小的情况下还能够充当侦察机，能够自我销毁，即使被对方发现了也得不到有利证据，牺牲成本并不高[2]。
虽然目前的四旋翼飞行器已经运用于许多领域，但是笔者觉得，在未来更是会将计算机技术，算法控制技术等信息化都融入进去，从而达到更先进的地步。
（二）飞行器的研究现状
早在上世纪初期，就有人对四旋翼飞行器开始进行设计研究。目前，国外对四旋翼飞行器研究的人员主要致力于对姿态控制和惯性测量的研究。作为无人机中常见的一种飞行器，它对硬件要求比较严格。国外许多学校和机构也在不断致力于该方面的研究。比如美国的斯坦福大学和日本千叶大学，都有自己的核心技术。一些商业公司也在从事该方面的研究，美国Draganflyer 公司是一家典型的代表，该公司的飞行器机体材料用的轻质坚硬的炭纤维和高性能塑料，它的主要作用是航空拍摄，其独特之处在于四个独立电机的速度可被分别控制；除此之外，在姿态稳定控制方面，该公司还为飞行器安装了3个压电晶体陀螺仪。
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ABSTRACT
In this paper, the four rotor aircraft is a kind of unmanned aerial vehicle (UAV), which is composed of four symmetrical cross distributed propellers. The design of the aircraft to STM32F103C8T6 as the master chip MPU9250 as the main se
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Keyword ： STM32F103C8T6 microcontroller, attitude control algorithm, four rotor aircraft
一、绪论
（一）课题研究背景与意义
由于现代科技的快速发展，越来越多的人投入于无人机的研发，随之而来四旋翼飞行器也得到了蓬勃发展。四旋翼飞行器之所以被如此广泛地应用，相对于比例大小相近的传统遥控直升飞机来说，它有着许多不可比拟的优点。主要优点有：四旋翼飞行器是利用桨片与空气的反作用力来作用于机体，实现飞行器的起降及改变各种姿态，机体可承受一定的冲击干扰，大部分无人机都可以多次回收利用，从而降低了成本。与人工直接驾驶的飞行器相比，无人机不需要搭载支持飞行员的生命支持系统，可以降低飞行器本身的重量，机体可以制造的较小，能提高飞行器的灵活性，操作中对人员的伤害也小。在未来的信息化中，将会有很大的发展空间[1]。目前无人机不仅应用于学习和娱乐等生活方面，大型无人机还用作特殊搬运、军事用途等方面。四旋翼飞行器在大型活动时可以进行航空拍摄取景、气象探测及搜查东西等等，其更广阔的前景在于，大量的新功能与新用途不断被开发出来，比如航拍、植保、巡检、战地检测、目标攻击及救援等等，从而给四旋翼飞行器带来了无限的前景与商机。对于刚刚起步的四旋翼飞行器市场而言，很多的功能和应用前景仍然是一片蓝海，等待科研开发人员和爱好者去开拓。
四旋翼飞行器主要有以下特点：
四旋翼飞行器的体积相对较小，即使在狭小房间也不会影响它的工作，比如在
隧道这种黑暗狭小的地方；
2.人要是长时间在恶劣的环境下进行工作，会对身体健康产生影响。我们如果用飞行器代替人去工作就可以减少人员的伤亡，而且飞行器成本不高，性能稳定，执行效率高；
3．飞行器在最基本的飞行功能上还可增加其他高端设备，从而增加它的功能，比如摄像头，手臂等。在噪音足够小的情况下还能够充当侦察机，能够自我销毁，即使被对方发现了也得不到有利证据，牺牲成本并不高[2]。
虽然目前的四旋翼飞行器已经运用于许多领域，但是笔者觉得，在未来更是会将计算机技术，算法控制技术等信息化都融入进去，从而达到更先进的地步。
（二）飞行器的研究现状
早在上世纪初期，就有人对四旋翼飞行器开始进行设计研究。目前，国外对四旋翼飞行器研究的人员主要致力于对姿态控制和惯性测量的研究。作为无人机中常见的一种飞行器，它对硬件要求比较严格。国外许多学校和机构也在不断致力于该方面的研究。比如美国的斯坦福大学和日本千叶大学，都有自己的核心技术。一些商业公司也在从事该方面的研究，美国Draganflyer 公司是一家典型的代表，该公司的飞行器机体材料用的轻质坚硬的炭纤维和高性能塑料，它的主要作用是航空拍摄，其独特之处在于四个独立电机的速度可被分别控制；除此之外，在姿态稳定控制方面，该公司还为飞行器安装了3个压电晶体陀螺仪。
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