基于stm32的四旋翼飞行器控制系统设计(附件)【字数：17023】
摘 要随着近年来四旋翼飞行器的发展，并且鉴于小型四旋翼飞行器的广阔的市场和绝佳的发展前景，以及生活中四旋翼飞行器应用的越发普遍性，需要意识到该方向在国内今后的发展的重要性。本文分多章节来介绍该设计所要做的工作，首先是对飞行器的研究背景做出了简单的概述，然后是对国内外的飞行器的发展史和现如今各种类型的控制算法完善进度做出了阐明。再对四旋翼飞行器的最基本工作原理详细的解释，对本文所使用飞行器的机械部分的构造做出了简要的说明。初步确定飞行器主要模块的选型，核心部分采用STM32 ARM系列单片机Cortex-M3微处理器，以及MPU6050 6轴运动处理组件，并对飞行器的各个单元模块的功能介绍以及各单元模块的电路设计做出讲解。然后是对飞控重要程序的结构框图作出介绍，以及飞控和遥控的部分重要程序的详解。最后对全部系统调试过程中所遇到困难的解决方法与学习体会，应该注意对PID控制器中比例、积分、微分三项控制的理解，三项控制互相关联，可以分别调节，也可以只采用其中一种或两种控制项。对PID控制器数学模型的建立与解算，将其化作可以在编程的时候使用的表达方式，当我门调整PID时应该遵循几个要点，先调整整定内环，再整定外环，各参数应由小至大查找整定，先比例后积分再微分相加。
目 录
第1章 绪论 1
1.1本课题研究的背景与意义 1
1.2四旋翼飞行器的发展与国内外研究现状 3
1.3本论文所进行的主要工作 6
第2章 四旋翼飞行器的工作原理与硬件结构 7
2.1四旋翼飞行器的工作原理 7
2.2四旋翼飞行器的硬件结构 10
2.2.1飞行器的硬件部分介绍 10
2.2.2遥控器的硬件部分介绍 12
2.2.3其他硬件部分介绍 12
第3章 四旋翼飞行器的各单元模块设计 13
3.1各单元模块的功能介绍及其电路设计 13
3.1.1 STM32F103最小系统 13
3.1.2电源模块 14
3.1.3下载电路 14
3.1.4电机驱动电路 14
3.1.5串口接口电路 15
3.2特殊模块的功能介绍及电路设计 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
6
3.2.1飞控通讯模块及电路设计 16
3.2.2飞控姿态模块及电路设计（MPU6050六轴传感器） 17
3.3本章小结 19
第4章 软件设计框图及主要程序说明 20
4.1软件设计的原理以及软件设计平台 20
4.2飞控重要程序的结构框图 21
4.3飞控部分程序设计及说明 24
4.3.1程序入口Main函数 24
4.3.2设备初始化程序 25
4.3.3 LED扫描部分程序 26
4.3.4外部中断部分程序 28
4.3.5 MPU6050部分程序 29
4.3.6卡尔曼滤波部分程序 29
4.3.7 PID控制部分程序 30
4.4遥控通信部分程序 32
4.5本章小结 33
第5章 四旋翼飞行器控制系统设计与调试 34
5.1 PID控制器介绍 34
5.2 PID控制算法分析与系统框图 35
5.3 PID控制器数学模型及算法定义 35
5.4串级PID系数的整定 36
5.5本章小结 38
第6章 总结 39
6.1回顾 39
6.2展望 39
致 谢 41
参考文献 42
附录A 42
附录B 45
第1章 绪论
1.1本课题研究的背景与意义
随着科学技术的发展，在当代信息化普及的战斗中，减少人员投入、打击武器高精度、高灵活度成为了信息化战争中的重要以及首要指标。现如今多旋翼无人机的使用普及，在现代化的信息战中起着无可替代的作用，在这些战斗中无时无刻不体现出无人机的优势。在联合国多次对非地区非法武装力量的打击战斗中，多旋翼无人机展现出了满意的侦查表现。四旋翼飞行器的打击目标高精确度，以及飞行器机械结构轻便性得到了充分的体现，这些种种迹象都表明了现在对于四旋翼飞行器的科技研究以及发展在进一步的得到推进。在21世纪现代化战争中，海陆空三军的联合作战中，不同程度的用到了无人机进行作战的现代化装备，而这些无人机都在各种艰险的工作环境下进行不间断的侦察与监测活动。
事实上，四旋翼在当下信息化普及的优势下，控制算法以及各种软硬件的成熟下，在各种费用上越来约接近人们生活的前提下，变得越发迎合消费者的喜爱。不仅仅在国防、军工等方面有着无人机的应用，在我们的生活中，还有很多的民用无人机被生活中的各种方面所需。它们都被应用到非常的广泛的生活以及军事方面。
随着人工智能化的应用和普及，生活各方面的智能化设备也在大量普及，智能机器人的科研也越发火热的进行，人工智能的设备以及某些信息化技术功能已经应用于生活中，应用于现代社会。就四旋翼飞行器来说，由当今生活中所涉及的娱乐与学习和多种实际价值意义：飞行器的娱乐游戏功能，其所提供的最基础的飞行控制学习部分，在最基本的飞行器上增加摄像头就有了最基本的航拍，高空监控以及摄影的功能，在航拍的基础上增加一些测距、位移、数据处理传感器，就可以实现地形地貌勘探，为地质测量提供数据支持，野外搜救工作、环境（大气湿度以及颗粒物PM2.5）的监测、森林灾情监测、道路交通压力的监控、大型农牧场的监控与勘测、替代某些危险功工种的工人进行高空高压电缆的巡检，以缓解工作人员的意外伤害状况，与此同时还可以提高巡检的工作效率。军事上，非洲某些国家以及部分地区的局部小规模作战的时候，会用到的一些小型的侦察机，打探敌人内部情况，内部地形以及兵力部署情况。进而减少侦察人员的伤亡。在反恐安保、边疆缉毒等极为危险、恶劣的环境中展现出了其优良的性能。其具备了可靠性较高、成本较低、的特点还有自我销毁的能力。四旋翼飞行器在军事方面的前景不容置疑，相信以后的战争是向着自动化的、无人化的、低人员投入的战斗。
20世纪中期以来，出现了许许多多的新理念的垂直系统起降的无人飞行器，其中最引人注目的就是各种类型的碟式飞行器，而这其中最最出众的就是四旋翼飞行器，以下是参照书籍中对历史上各种类型飞行器飞行参数以及性能的介绍，这里将其绘制成表11。
表11 各类型垂直起飞飞行器的性能指标比较表
A
B
C
D
目 录
第1章 绪论 1
1.1本课题研究的背景与意义 1
1.2四旋翼飞行器的发展与国内外研究现状 3
1.3本论文所进行的主要工作 6
第2章 四旋翼飞行器的工作原理与硬件结构 7
2.1四旋翼飞行器的工作原理 7
2.2四旋翼飞行器的硬件结构 10
2.2.1飞行器的硬件部分介绍 10
2.2.2遥控器的硬件部分介绍 12
2.2.3其他硬件部分介绍 12
第3章 四旋翼飞行器的各单元模块设计 13
3.1各单元模块的功能介绍及其电路设计 13
3.1.1 STM32F103最小系统 13
3.1.2电源模块 14
3.1.3下载电路 14
3.1.4电机驱动电路 14
3.1.5串口接口电路 15
3.2特殊模块的功能介绍及电路设计 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
6
3.2.1飞控通讯模块及电路设计 16
3.2.2飞控姿态模块及电路设计（MPU6050六轴传感器） 17
3.3本章小结 19
第4章 软件设计框图及主要程序说明 20
4.1软件设计的原理以及软件设计平台 20
4.2飞控重要程序的结构框图 21
4.3飞控部分程序设计及说明 24
4.3.1程序入口Main函数 24
4.3.2设备初始化程序 25
4.3.3 LED扫描部分程序 26
4.3.4外部中断部分程序 28
4.3.5 MPU6050部分程序 29
4.3.6卡尔曼滤波部分程序 29
4.3.7 PID控制部分程序 30
4.4遥控通信部分程序 32
4.5本章小结 33
第5章 四旋翼飞行器控制系统设计与调试 34
5.1 PID控制器介绍 34
5.2 PID控制算法分析与系统框图 35
5.3 PID控制器数学模型及算法定义 35
5.4串级PID系数的整定 36
5.5本章小结 38
第6章 总结 39
6.1回顾 39
6.2展望 39
致 谢 41
参考文献 42
附录A 42
附录B 45
第1章 绪论
1.1本课题研究的背景与意义
随着科学技术的发展，在当代信息化普及的战斗中，减少人员投入、打击武器高精度、高灵活度成为了信息化战争中的重要以及首要指标。现如今多旋翼无人机的使用普及，在现代化的信息战中起着无可替代的作用，在这些战斗中无时无刻不体现出无人机的优势。在联合国多次对非地区非法武装力量的打击战斗中，多旋翼无人机展现出了满意的侦查表现。四旋翼飞行器的打击目标高精确度，以及飞行器机械结构轻便性得到了充分的体现，这些种种迹象都表明了现在对于四旋翼飞行器的科技研究以及发展在进一步的得到推进。在21世纪现代化战争中，海陆空三军的联合作战中，不同程度的用到了无人机进行作战的现代化装备，而这些无人机都在各种艰险的工作环境下进行不间断的侦察与监测活动。
事实上，四旋翼在当下信息化普及的优势下，控制算法以及各种软硬件的成熟下，在各种费用上越来约接近人们生活的前提下，变得越发迎合消费者的喜爱。不仅仅在国防、军工等方面有着无人机的应用，在我们的生活中，还有很多的民用无人机被生活中的各种方面所需。它们都被应用到非常的广泛的生活以及军事方面。
随着人工智能化的应用和普及，生活各方面的智能化设备也在大量普及，智能机器人的科研也越发火热的进行，人工智能的设备以及某些信息化技术功能已经应用于生活中，应用于现代社会。就四旋翼飞行器来说，由当今生活中所涉及的娱乐与学习和多种实际价值意义：飞行器的娱乐游戏功能，其所提供的最基础的飞行控制学习部分，在最基本的飞行器上增加摄像头就有了最基本的航拍，高空监控以及摄影的功能，在航拍的基础上增加一些测距、位移、数据处理传感器，就可以实现地形地貌勘探，为地质测量提供数据支持，野外搜救工作、环境（大气湿度以及颗粒物PM2.5）的监测、森林灾情监测、道路交通压力的监控、大型农牧场的监控与勘测、替代某些危险功工种的工人进行高空高压电缆的巡检，以缓解工作人员的意外伤害状况，与此同时还可以提高巡检的工作效率。军事上，非洲某些国家以及部分地区的局部小规模作战的时候，会用到的一些小型的侦察机，打探敌人内部情况，内部地形以及兵力部署情况。进而减少侦察人员的伤亡。在反恐安保、边疆缉毒等极为危险、恶劣的环境中展现出了其优良的性能。其具备了可靠性较高、成本较低、的特点还有自我销毁的能力。四旋翼飞行器在军事方面的前景不容置疑，相信以后的战争是向着自动化的、无人化的、低人员投入的战斗。
20世纪中期以来，出现了许许多多的新理念的垂直系统起降的无人飞行器，其中最引人注目的就是各种类型的碟式飞行器，而这其中最最出众的就是四旋翼飞行器，以下是参照书籍中对历史上各种类型飞行器飞行参数以及性能的介绍，这里将其绘制成表11。
表11 各类型垂直起飞飞行器的性能指标比较表
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