基于ARM处理器的四旋翼无人机自主控制系统研究_张垚
基于ARM系统的旋翼飞机的设计
杂条件下起 飞及降落 ，＿ｊ｝且不需要特殊起降场
机臂 设计， 如 图 ２，根 据 设计 要 求，起
地 ，具有较 高的自动化技术 ，方便搭载不同的 飞 重 量 为 ７．５ｋｇ， 总 体 结 构 为 四轴 平 铺 ， 每 轴
设 备 以实 现 不 同 的用 途 ．其 在 军 事 、 民用 领 域 得 到 越 来 越 广 泛 的 应 用 。
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ· 电子技术
系统 的飞 行控制 系统 采用 模块化 设计 ， 通 过采 集 陀螺仪 、加 速度 计、ＧＰＳ位 置、地 磁感器、气压、温度传感器等信息进 行姿态检 测和控制，控制器控制四个无刷电机 作为动 力 引擎，并通 过 ＰＷＭ 脉 宽调制 技术 及 ＰＰＭ 载 波聚合技术控制飞机姿态，从而实现 稳定飞行 和 自动 驾 驶 飞 行 功 能 ， 完 成 多种 任 务 。 通 常
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【关键 词 】机 体构 架 姿态传 感器 信 号滤 波 ＰＩＤ算 法
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图 １：效 率 对 比
１ 引言
定的情况 下，共轴双桨 的效率 比两个 电机平铺 要 小 ，效 率只有 ８２％ 左右 ：相 同输 入功 率情
２Ｏ世纪 ９Ｏ年代后 期，随着 微机 电系统、 况下，共轴双桨与只与单 电机效率相 当，因此 ，
传感器技术 的成熟及惯性导航系统的开发，使 采 用 四轴 平 铺 架 构 。
得 多旋翼飞行器 的自动控制变为现实。 目前， ２．２机 体 结 构 设 计 旋翼无人机 具有定 点悬停等固有特性，能在复
基于ARM的μCOS-III的四旋翼飞行器的设计
航空航天科学技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald6DOI：10.16660/ki.1674-098X.2020.05.006基于ARM的μC/OS-III的四旋翼飞行器的设计余愿(湖北科技职业学院 湖北武汉 430074)摘 要：在ARM平台设计了一种基于μC/OS- III的四旋翼飞行器的控制系统，该系统选用STM32F103系列微控制器，采用MP1584EN降压转换器保证主控的供电稳定，PWM （Pulse Width Modulation ）信号的占空比控制四个电机的转速，以陀螺仪传感器MPU6050为惯性测量单元，并通过互补滤波算法对获取到的数据进行滤波处理，提高数据精度，实现了四旋翼飞行器在空中的平稳飞行和姿态控制。
关键词：四旋翼飞行器 PWM 互补滤波算法中图分类号：V249 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2020)02(b)-0006-03四旋翼飞行器与传统飞行器相比，具有结构简单、载重能力强、成本低等优点，通过对四翼上的四个电机的控制就能实现垂直升降、空中翻滚、悬空停止的功能。
四旋翼飞行器的结构比较灵活，可以小型化使其用于航拍、军事侦察，同时又因能避免复杂的空气动力学问题，可以大型化应用于远程物资运输、农业播种，地质勘测等。
四旋翼飞行器既能完成在室外高空的任务，又能实现室内狭小空间的飞行，摆脱了传统飞行器对任务环境的苛刻要求，具有非常广泛的应用前景。
1 飞行原理四旋翼飞行器机械结构简单，通过控制四个电机带动旋翼的旋转变化产生升力，系统输入量包括四个电机的转速，输出量是在X、Y、Z三个方向上平移和旋转的六个自由度，飞行姿态由电机速度控制实现[1]。
根据四旋翼飞行器飞行方式不同，按结构分为X型和十字型两种。
在这两种飞行模式下，其动力配置方式都是一样的；飞行器对向的电机转向相同，另一对向的电机转向相反，即相邻的电机转向总是相反的，目的是为了抵消电机运行时产生的陀螺效应。
微型仿生扑翼机控制器设计
微型仿生扑翼机控制器设计贺雪晨;周超英;汪超【摘要】针对微型仿生扑翼机载重量较小的特点,设计了一款微型扑翼机控制器.文章设计制作了扑翼机控制器的硬件电路,采用STM32F103T8U6作为主处理器,并设有陀螺仪、加速度计和磁力计.在此基础上将传感器的数据进行融合,采用基于四元数互补滤波的姿态解算方法求解出扑翼机的姿态角,以实际姿态角与目标姿态角的差值作为PD控制器的输入,输出量作为舵机控制量,提高扑翼机的飞行稳定性.文中所设计的控制器具有重量轻、尺寸小、与扑翼机契合度高的特点.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2018(026)016【总页数】5页(P72-75,80)【关键词】微型扑翼机;控制器;互补滤波;姿态解算【作者】贺雪晨;周超英;汪超【作者单位】哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程及自动化学院,广东深圳518055;哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程及自动化学院,广东深圳518055;哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程及自动化学院,广东深圳518055【正文语种】中文【中图分类】TN964.1仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行方式的新型仿生飞行器[1]。
与采用传统飞行方式的飞行器相比，仿生扑翼飞行器具有体积小、重量轻、隐蔽性好和灵活性高等优点[2]，特别是在小尺度、低雷诺数条件下，相较于其他气动布局的飞行器有着难以比拟的优势，在民用和军事领域均有广泛的应用前景。
因此，近几十年来仿生扑翼飞行器的发展十分迅速，国内外的科研工作者对这一领域的研究也十分重视。
随着扑翼飞行器的小型化，势必要求其控制器做到尽量微型化。
文中设计一款微型控制器，并可解算出扑翼机的姿态角，采用PD控制器控制尾翼舵机，使扑翼机具有良好的飞行稳定性，满足微型扑翼机的控制要求。
1 硬件设计部分1.1 总体方案微型扑翼控制器可利用各传感器的数据解算出扑翼机的当前姿态，并解析接收机信号得到控制量，控制执行机构。
主要由以下几个部分组成：1）微处理器：扑翼控制器的核心单元，用来解算姿态角、解析遥控信号、控制执行机构；2）姿态传感器：包含加速度计、磁力计和陀螺仪，提供姿态解算的原始数据；3）通讯模块：遥控器通过接收机与控制器进行信息通信。
四旋翼无人机自主避障系统的设计与实现
四旋翼无人机自主避障系统的设计与实现作者：胡海兵汪国庆赖重远张结文来源：《现代电子技术》2018年第22期摘要：针对自主导航过程的预先避障和飞行控制中预判与控制，该文利用超声波检测距离原理对体小质轻、低空低速的小型无人机导航控制系统的自主避障功能进行了研究。
小型无人机将AHRS信息采集与避障飞行控制分开设计为两部分相对独立的系统。
两片DSP 芯片分别实现姿态数据采集、处理和避障导航计算，有效降低了导航系统的计算复杂度，实时通信和数据处理更加流畅。
飞行实验表明，无人机可以预判，及时规避障碍物和自主巡航，设计方案可靠稳定，可为民用小型无人机的设计与应用提供参考。
关键词：无人机；四旋翼；自主导航；避障；定位；超声波测距中图分类号： TN752.6⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2018）22⁃0133⁃05Abstract： In allusion to the obstacle pre⁃avoidance in the autonomous navigation process and the prejudgment and control in flight control， the autonomous obstacle avoidance function of the small?scale low⁃altitude and low⁃speed unmanned aerial vehicle （UAV） navigation control system with small volume and light weight is studied by using the distance detection principle of the ultrasonic wave. In the small⁃scale UAV， the AHRS information acquisition and obstacle avoidance flight control are separately designed into two parts of relatively⁃independent systems. The two DSP chips are adopted to respectively realize attitude data acquisition and processing and navigation calculation of obstacle avoidance， so as to effectively reduce the computational complexity of the navigation system， and make the real⁃time communication and data processing more smooth. The results of the flight experiment show that the UAV can prejudge and avoid obstacles timely， and perform autonomous cruise； the design scheme is reliable and stable， which can provide a reference for design and application of the small⁃scale civil UAV.Keywords： UAV； quadrotor； autonomous navigation； obstacle avoidance； positioning；ultrasonic distance measurement近年来，自主导航无人机以其低廉的成本、无人员伤亡风险、机动性能好、使用方便等优势，在高危作业、灾害航拍、抢险布控、环境监测等领域得到了广泛的应用[1]。
基于ARM单片机四旋翼飞行器控制器设计
本科毕业论文（设计）基于ARM 单片机的四旋翼飞行器 控制器设计系 （部）专 业学 号学生姓名指导教师提交日期中工 信商概要近几年，微小型的四旋翼无人机已逐渐成为无人机领域的研究热点。
由于其灵活性，机体结构简单，维修方便等优点，并且可以在空中悬停，垂直起飞和着陆。
所以它在军事和民用领域巨大的应用潜力，在架构设计和飞行控制国内外许多研究机构的研究也致力于四个旋翼无人机飞行控制系统，以实现四个旋翼无人机自主飞行]10[。
四旋翼无人机飞行控制系统的重要组成部分是其机载的传感器系统，由于它为机载控制系统提供了可靠的飞行状态信息，因此是实现四旋翼无人机自主飞行的重要设备之一。
本论文设计了一种基于ARM处理器作为主控制器的四旋翼飞行器，由MTi.G惯性导航一体机，高精度声纳传感器和无线遥控器为主的机载传感器系统。
该系统已经完成了航班状态信息的采集和处理，与空气中的控制器，实现了四旋翼飞行器空中自主悬停控制。
使用现有的机载控制器硬件平台的ARM嵌入式控制器的功能是构建一个功能完善，和机载传感器系统（微型姿态航向参考系统和声纳传感器）的采集和处理测量的数据，对采集到的数据以及遥控数据进行一定的PID算法的计算]2[，进而控制四个无刷直流电机的转动，实现可四旋翼飞行器的稳定飞行。
关键字：四旋翼无人机声纳传感器无刷直流电机Four rotor aircraft design based on ARM single chipmicrocomputerABSTRACTIn recent years，quadrotor helicopter has become a hotspot of the research about unmanned aerial vehicle(UA V)．It has high maneuverability，easy maintance，simple configuration, and the ability of agile hovering，vertical taking off and landing(VTOL)．Because of their huge potential application values for civil and military utilization，researches on the architecture of flight control system(FCS)are conducted by many universities and companies to achieve autonomous flight control of quadrotors．Onboard sensor system is a very important component of flight control system because it will supply reliable flight informations of quadrotor for the flight controller.In this paper，a self assembled quadrotor helicopter is used as the airframe for the flight control system design．An attitude measuring method based on ARM processor is proposed, which gives out attitude informations of medium and low accuracy. The data acquisition and processing about the flight information of quadrotor is accomplished．The qutonomous hovering control of quadrotor cooperating with flight control system onboard is achieved．A complete platform of flight control system onboard is estibalished by there—development of ARM embedded controller to make it possible for the scource code to be run on the ARM embedded controller．Onboard data accquiration and processing are implemented．Then PID algorithm for computing some of the collected data, and then control four brushless DC motor rotation, achieve stable flight four rotary wing aircraft.Keywords:Quadrotor ARM AHRS Sonar Four brushless DC motor rotation目录1 绪论 (1)1.1 研究的前景与意义 (1)1.2 国内外的研究现状 (1)2 设计任务 (3)2.1 设计要求 (3)2.2 使用说明 (3)3 四轴飞行器样机结构与硬件选择 (4)3.1 样机结构与系统结构 (4)3.2 硬件设计与选型 (6)3.2.1 核心板 (6)3.2.2 陀螺仪 (6)3.2.2 超声波模块 (7)3.2.3 电源模块 (8)3.2.4 电机模块 (9)3.2.5 无线通信与显示 (10)4 程序设计与调试 (12)4.1 飞行器姿态导航的数据的采集 (13)4.2 声呐传感器数据的采集 (14)4.3 电机的控制 (15)4.5 调试 (16)结论 (18)参考文献 (19)致谢 (20)附录 (20)1 绪论1.1 研究的前景与意义四旋翼无人飞行器拥有很多优点和广阔的应用前景。
四旋翼自主飞行器的控制器设计与仿真
四旋翼飞行器是一种能垂直起降的旋翼式 自主飞 行器 ，由于其具有新颖的外形 、简单 的结构 、卓越 的性 能 以及 独特 的飞 行控 制 方 式 等 特 点 ，近 年来 受 到 了 国 内外广泛的关注 ，并提出了不 同的建模 和控制器设计 方案，但 由于四旋翼飞行器 自身特有的强耦合性和欠 驱动等控制难点 ，一个合理 的控制对象模 型和新型 的 并 且具 有实 际应 用价 值 的控制 器设 计一 直被 国内外研 究 学者 所关 注 。
为 了解 决上 述难题 ，国 内外 提 出 了许 多控 制策 略 ， 如文 献 ［１］提 出 了一种基 于强 化 学 习 的姿 态 稳定 性 和 路径 跟 踪 的控制 器设 计 ，它 具 有 不 断 的 自我 学 习能 力 并进行参数 的在线调 整能力 Ｊ。为 了解决 被控对象 的非线 性特 性 ，文 献 ［３］设 计 了基 于 状 态 反 馈 的线 性 参数 变 化方 法 （ＬＰＶ），文献 ［４］分 别 为 平 移 运 动 和 旋 转运 动设 计 了基 于 反 推 控 制 （ＢａｃｋＳｔｅｐｐｉｎｇ）和滑 模 变 结 构 的非线 性控 制算 法 。此外 还一 些 比较新 颖 的控制 策略 ，如文献 ［５］和文献［６］中设计的基于视觉反馈 的 控制方案。以上的控制方案设计有 的过 于复杂 ，难于
基于ARM的多传感器四旋翼飞行器控制系统设计
基于ARM的多传感器四旋翼飞行器控制系统设计王丙;王琪;张震;高进可【摘要】为改变以传统嵌入式处理器的四翼飞行器的控制方式,基于四旋翼飞行器的工作原理和性能特点,提出了一种基于ARM Cortex-M7的嵌入式处理器的飞行控制系统的设计和实现方案.阐述了四旋翼飞行器的物理结构与飞行原理,给出了硬件系统总体方案;在整合各功能模块的基础上,对系统硬件电路进行设计,并进行了模拟仿真运行和实验验证.仿真与实验表明:设计能够保证系统的高稳定性,能满足飞行器起飞、悬停、侧飞等飞行模态的控制要求.%In order to change the conventional control mode of quadrotor with embedded processor,a solution of flight control system is presented based on working principle and performances of quadrotor,design of flight control system based on embedded ARM Cortex-M7 is proposed.Flight principles and mechanical structures of quadrotors are presented,as well as general scheme of hardware system.On the basis of integration of each functionmodule,hardware circuit design of multi-sensor control system based on ARM Cortex-M7 is discussed in detail.Simulation operation and experimental verification are carried out.Simulation and experimental results show that high stability of the control system is guaranteed and the requirements of flight modes are satisfied,including aircraft takingoff,hovering,flying side and so on.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2017(036)007【总页数】4页(P120-123)【关键词】ARM;多传感器;四翼飞行器;控制系统硬件电路设计【作者】王丙;王琪;张震;高进可【作者单位】江苏科技大学张家港校区机电与汽车工程学院,江苏张家港215600;江苏科技大学张家港校区机电与汽车工程学院,江苏张家港215600;江苏科技大学张家港校区机电与汽车工程学院,江苏张家港215600;江苏科技大学苏州理工学院机电与动力工程学院,江苏张家港215600【正文语种】中文【中图分类】TP202近年来，随着传感器技术、数字图像处理技术、信号与系统处理技术的迅速发展，以及各种新材料、新能源的广泛应用，国内的小型飞行器的研究开发工作逐渐升温，许多形成了产业[1,2]。
四旋翼飞行器的无模型自适应预测控制方法研究
学校代码：10004 密级：公开北京交通大学硕士学位论文四旋翼飞行器的无模型自适应预测控制方法研究Model Free Adaptive Predictive Control Method For QuadrotorAircraft作者姓名：郭媛学号：17120197导师姓名：侯忠生职称：教授学位类别：工学学位级别：硕士学科专业：控制科学与工程研究方向：数据驱动控制北京交通大学2020年6月致谢时光飞逝，转眼间三年的研究生生活接近尾声，在此期间我学会了许多，也收获了许多。
不仅扎实了本专业理论知识，也提高了编程能力与解决问题的能力，培养了自己严谨踏实、勇于创新的精神。
在此，我向这段学习期间给我无私帮助和老师、同学及家人朋友们表达我诚挚的谢意！首先要特别感谢我的导师侯忠生教授。
在攻读硕士期间，无论是在科研上，还是在生活中，侯老师都给予了我很大的关心和帮助。
侯老师不仅在学习的研究方向上做出了及时准确的指导，让我有了明确的研究方向，更是通过自身对学术的专业和严谨的治学态度影响着我，让我在学习科研中更加踏实认真。
在侯老师的悉心指导下，我在论文撰写过程中对论文的整体框架有了更加清晰的认识，对于研究内容也有了更加深刻的理解，在此衷心的感谢侯老师对我的帮助与指导。
另外，金尚泰老师和殷辰堃老师在学习生活中也给了我极大的帮助和影响，在此衷心感谢两位老师的关心和指导。
同样感谢刘世达、熊双双、余弦、任叶、于寒松、雷霆、刘根峰等诸位博士师兄师姐在学习和生活上的指导和帮助，特别是刘世达师兄，在毕设论文和小论文上给予我莫大的帮助。
感谢董煦宸、段莉、宋瑞雪、王浩军、刘靖邦、郝旭欢等实验室的同窗好友和师弟师妹们在论文的整个写作过程中给我提出了很多建议和宝贵的意见。
另外，还要感谢我的两位舍友段莉和宋瑞雪，谢谢你们的陪伴和带来的美好时光。
最后，感谢我的家人和朋友对我的支持与理解，在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成学业，克服困难迎难而上，希望你们健康快乐，万事胜意。
四旋翼无人机自主飞行控制系统设计与优化
四旋翼无人机自主飞行控制系统设计与优化无人机技术在近年来快速发展，成为了现代航空领域的重要组成部分。
四旋翼无人机由于其灵活性和机动性而得到广泛应用，但是其飞行控制系统的设计与优化一直是一个具有挑战性的问题。
一个稳定和可靠的飞行控制系统对于四旋翼无人机的飞行安全和性能至关重要。
设计一个有效的飞行控制系统需要考虑多个因素，包括飞行器的动力学模型、传感器数据的获取与处理、控制算法的选择与实现等。
首先，我们需要建立四旋翼无人机的动力学模型，以便更好地理解其飞行特性。
四旋翼无人机的动力学模型可以通过空气动力学原理和刚体运动方程来描述。
这些方程将飞行器的状态（如位置、速度和姿态）与外部作用力（如旋翼推力）联系起来，从而形成了系统的动力学模型。
基于动力学模型，我们可以进一步设计飞行控制系统的传感器子系统。
传感器的作用是获取飞行器的状态信息，如加速度、姿态和位置等。
常用的传感器包括加速度计、陀螺仪、磁力计和GPS等。
这些传感器可以通过信号处理和滤波算法来提取飞行器的状态信息，并与动力学模型进行匹配。
在传感器数据的基础上，我们需要选择合适的控制算法来实现飞行控制系统。
常见的控制算法包括比例积分微分（PID）控制和模型预测控制（MPC）等。
PID控制是一种简单而常用的控制方法，适用于一般情况下的飞行控制。
而MPC控制则更适用于复杂场景下的飞行控制，它能够预测飞行器的未来状态，并根据目标设定进行优化调整。
选择适当的控制算法需要综合考虑飞行任务的要求、控制精度和计算复杂度等因素。
此外，对于四旋翼无人机的飞行控制系统，还可以进行一些优化设计。
例如，我们可以引入自适应控制算法来应对飞行器动力学模型的参数不确定性。
自适应控制可以根据实时的飞行器状态来自动调整控制参数，以达到更好的飞行性能。
另外，我们还可以采用强化学习算法来进行自主飞行控制系统的优化。
强化学习算法通过不断试错探索，逐渐优化控制策略，从而提高系统的性能。
最后，为了验证设计的飞行控制系统的性能，我们可以进行仿真和实验。
一种新型四旋翼无人机控制系统[发明专利]
![一种新型四旋翼无人机控制系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/4d61fd4a1611cc7931b765ce05087632311274fa.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710627182.9(22)申请日 2017.07.28(71)申请人 北京航天光华电子技术有限公司地址 100854 北京市海淀区永定路51号(72)发明人 刘帆 张萌 李湛湛 陈丽 杨栋量 薛强 李少玲 宫巨涛 (74)专利代理机构 中国航天科技专利中心11009代理人 徐辉(51)Int.Cl.G05D 1/10(2006.01)(54)发明名称一种新型四旋翼无人机控制系统(57)摘要一种新型四旋翼无人机控制系统，其控制单元包括：机载部分和地面部分。
其中机载部分又分为飞控部分和云台部分：飞控部分由飞控模块、扩展功能模块、电源管理模块、指示灯模块、传感器模块、电调部分、电机部分、数传电台、遥控器接收机组成，云台部分由云台控制器、云台、相机、遥控器接收机、图传发射机组成。
地面部分由地面站、飞机遥控器、云台遥控器组成，其中地面站部分由计算机、图像采集卡、数传电台、图传接收机组成。
针对目前同类产品的不足之处，本控制系统具有控制精准、适应性强、稳定可靠等特点，能在不同机型使用。
具有航拍、自主导航飞行等功能，可以满足对电力巡检、边防巡检、农林植保等领域的作业需求。
权利要求书2页 说明书4页 附图4页CN 107272740 A 2017.10.20C N 107272740A1.一种新型四旋翼无人机控制系统，其特征在于，包括：机载部分和地面部分；机载部分包括飞控模块、扩展功能模块、电源管理模块、传感器模块、电调部分、电机部分、数传电台、遥控器接收机；传感器模块包括惯性测量单元、GPS、气压计、磁罗盘；惯性测量单元用于测量无人机的姿态及位置信息，并发送给扩展功能模块；GPS用于检测无人机的位置信息，并发送给扩展功能模块；气压计用于测量无人机所处位置的气压参数，并发送给飞控模块；磁罗盘用于测量无人机所处位置的磁场信息，并发送给扩展功能模块；数传电台用于通过天线接收地面站的控制指令并发送给飞控模块，发送无人机状态参数给地面站；遥控器接收机用于接收遥控器指令，并发送给飞控模块；电源管理模块：电源管理模块为无人机控制系统提供电源；电调部分，包括4个电子调速器，分别用于在飞控模块的控制下驱动一个电机工作；电机部分包括4个电机，分别控制一个旋翼的转速；扩展单元模块，由扩展单元模块的处理器获取GPS采集的无人机的位置信息和磁罗盘采集的无人机所处位置的磁场信息，并选择性地发送给飞控模块；接收惯性测量单元采集的姿态及位置信息；扩展单元模块进行姿态解算，并将结算后的姿态信息发送给飞控模块；飞控模块，接收扩展单元模块发送的位置和航向；通过数传模块接收地面站的控制指令，同时回传无人机状态参数给地面站；通过遥控器接收机接收遥控器指令；由飞控处理器进行数据融合与控制解算输出PWM控制信号给4个电子调速器；地面部分，接收飞控模块发送的无人机状态信息并显示，在自主控制模式下向飞控模块发送飞行指令。
基于四旋翼无人机新型控制方式
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2018年第24期·49·文章编号：2095－6835（2018）24－0049－03基于四旋翼无人机新型控制方式刘一航，钟继康（武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070）摘要：目前四轴飞行器的技术日趋成熟，针对于四轴飞行器的研究已经从研究方向转化为应用方向，是目前较为合适的无人飞行开发平台。
与此相对应的是我国的国土面积广阔，地形复杂多变，采用车辆等地面交通工具相对速度较慢，其在针对于植物调查统计方面速度较慢，因此目前所采取的主要模式为卫星遥感与地面人力普查相结合。
随着四轴飞行器的商业化以及平民化，四轴飞行器结合视觉识别可以有效解决此类问题。
探讨了在国有机耕农场环境下四轴飞行器的新型控制以及使用方式，望对完善我国的机器人操控科技有一定的指导意义。
关键词：四轴飞行器；新型控制方式；植物保护；视觉识别中图分类号：V279文献标识码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2018.24.0491四轴飞行器（硬件平台）1.1四轴飞行器的现状四轴无人机又称四轴飞行器，其采用Linux 系统作为其核心架构，机械结构相对较为简单。
目前国内的商用无人机技术已经相对成熟，以DJI 为代表的国内的公司的无人机的性能相对优异。
目前对四轴无人机的研究已经从科研方向转换为应用方向，主要与机器视觉等技术结合，并且目前商用无人机的开发可以与现在的开源代码相结合做出一定的优化，将复杂的机器人开发变得简易化。
1.2商用飞行器的优势特点1.2.1二次开发简单目前的商用无人机一般都为二次开发留下了接口，可以快速通过二次开发接口对无人机进行二次开发。
以DJI 为例，DJI 在官网上就有对应的二次开发工具提供，这些二次开发工具的开发环境一般为Linux 等开源系统。
这些二次开发工具（sdk 编写器）在二次开发中表现了可靠的特性。
基于ARM的四旋翼无人飞行器控制系统
基于ARM的四旋翼无人飞行器控制系统刘乾;孙志锋【摘要】为改变传统以单片机为处理器的四旋翼无人飞行器的控制方式,提出了一种基于嵌入式ARM的飞行控制系统的设计和实现方案.详细介绍了控制系统的总体构成以及硬、软件设计方法,包括传感器模块、电机模块、无线通信模块.试验结果表明,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.%In order to change the conventional control of four-rotor unmanned aerial vehicles using microcontroller as the processor,a solution of flight control system based on embedded ARM was presented. The main function of the system, the hardware structure and the software design were discussed in detail, including the sensor module, the motor module, the wireless communication module. With embedded real time operating system to ensure the system' s high reliability and real-time performance, the experiments results show that the requirements of flight mode are satisfied,including taking off,hovering,and landing and so on.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2011(028)010【总页数】4页(P1237-1240)【关键词】ARM;四旋翼无人飞行器;控制系统【作者】刘乾;孙志锋【作者单位】浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TP277;TH3近年来，随着新型材料以及飞行控制技术的进步，小型四旋翼低空无人飞行器得到了迅速发展，在军事和民用领域具有广阔的应用前景。
基于STM32的四旋翼飞行姿态串级控制
基于STM32的四旋翼飞行姿态串级控制贾峰;孙曼;秦磊【摘要】对四旋翼飞行器飞行姿态的稳定控制问题进行了分析,设计了基于STM32系列微控制器的稳定控制系统.STM32以ARM Cortex-M3为内核,拥有强大的运算能力,作为四旋翼飞行器的飞行姿态控制器的主控芯片.采用四元素融合滤波算法对陀螺仪和电子罗盘等多传感器采集的数据进行飞行姿态解算.结合串级PID控制算法实现四旋翼飞行姿态控制系统设计.仿真及实验结果表明该控制系统符合设计要求,达到了对四旋翼飞行器飞行姿态稳定控制的目的.验证了基于STM32的串级飞行姿态控制的有效性,为后续研究奠定了基础.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)006【总页数】6页(P220-225)【关键词】四旋翼;四元素法;姿态控制;STM32;多传感器【作者】贾峰;孙曼;秦磊【作者单位】四川大学电气信息学院,成都610065;四川大学电气信息学院,成都610065;四川大学电气信息学院,成都610065【正文语种】中文【中图分类】TP27四旋翼飞行器与传统的单桨直升机相比，其飞行原理简单，结构紧凑，单位体积所提供的升力大，且可以扭矩自平衡而不需要反扭桨［1］。
四旋翼飞行器只通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作，是一种六自由度的垂直起降机，非常适合在静态和准静态条件下飞行，近几年在军事和民用领域广泛应用［2］。
然而四旋翼飞行器是个具有4个输入量，6个输出量的欠驱动系统，控制器的设计要求高。
STM32是ST公司的高性能、低成本、低功耗嵌入式处理器，应用ARM Cortex-M3低功耗高速内核。
STM32丰富的片上资源可满足各类传感器通讯需求。
基于STM32的飞行控制器与传统的飞行控制器相比可大大降低系统的开发成本、节约资源［3］。
姿态解算是姿态参考系统的关键技术，算法的优劣直接决定了解算效率和系统的精度［4，5］。
目前姿态描述的主要方式有:欧拉角、方向余弦、四元素法［6］。
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与仿真
中北大学学位论文 Aircraft attitude control is the most important part of whole flight control system, four rotor helicopter actually output six charged variables of the attitude parameters and position parameters in three axes by inputing four motors’rotation speed, it is a typical underactuated system. In this paper,I use a classical PID control algorithm to do closed- loop control on the attitude angles and position of four rotor helicopter, and builds its simulating system by MATLAB/Simulink. Through simulation experiment, the results show that control effect of the control algorithm is good on attitudes, thus, effectiveness of the designed control system is demonstrated.
分类号： TP249
单位代码： 10110 学 号：s20090440
四 旋 翼 飞 行 器 飞 行 控 制 系 统 研 究 与 仿 真 中 北 大 学
中 北 大 学
硕 士 学 位 论 文
基于STM32F4系列单片机的四旋翼自主飞行器系统
基于STM32F4系列单片机的四旋翼自主飞行器系统
张天华
【期刊名称】《电子制作》
【年(卷),期】2016(000)003
【摘要】四旋翼是通过调节四个电机转速实现姿态改变的飞行器.本系统硬件以STM32F407VGT6型单片机为主控芯片,传感器采用MPU9150姿态模块、
MS5611气压计、US-100超声波、ADNS3080光流计和BN-280 GPS,软件采用串级PID控制.该飞行器实现了自主悬停、一键返航、GPS导航定位、空中翻滚、上位机实时监测以及航拍等功能.
【总页数】2页(P8,7)
【作者】张天华
【作者单位】北华航天工业学院电子与控制工程学院
【正文语种】中文
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微小型四旋翼无人机自主着陆视觉系统研究
微小型四旋翼无人机自主着陆视觉系统研究
何昱;王彪;谷世宁;徐贵力
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2015(23)5
【摘要】以实现微小型四旋翼无人机依靠视觉信息完成自主着陆为目的,采用TI公司DM3730芯片作为核心处理器,构建一套自主着陆视觉导引信息处理系统;充分考虑了视觉系统的特点,选用小巧、便携、合理的实验硬件,通过对图像的前期处理,采用相对简单的视觉处理算法,识别出着陆标识,通过解算得到着陆信息并完成飞行器的自主着陆过程;实验结果表明,系统较为可靠,在常规条件下,该系统能够有效识别人工着陆标识,准确解算出着陆标识与飞行器的相对位置信息用于自主着陆导引.【总页数】4页(P1682-1685)
【作者】何昱;王彪;谷世宁;徐贵力
【作者单位】南京航空航天大学自动化学院,南京 210016;南京航空航天大学自动化学院,南京 210016;南京航空航天大学自动化学院,南京 210016;南京航空航天大学自动化学院,南京 210016
【正文语种】中文
【中图分类】V448.133
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， ， ， 引用格式 ： Ｚ ｈ ａ ｎ Ｙ ａ ｏ Ｘ ｉ ａ ｎ Ｂ ｉ ｎ Ｙ ｉ ｎ Ｑ ｉ ａ ｎ ｅ ｔ ａ ｌ ． Ａ ｕ ｔ ｏ ｎ ｏ ｍ ｏ ｕ ｓ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｕ ｎ ｍ ａ ｎ ｎ ｅ ｄ ａ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｕ ａ ｄ ｒ ｏ ｔ ｏ ｒ ｇ ｇ ｙ ｑ ［ ］ ， ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ａ ＲＭ Ｊ ． Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ２ ０ １ ２， ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｒ ｙ ｇ ｙ ｐ （ ） ： ４ ２ ９ ７ ５ ３ ７ ６ ０． － ］ 张垚 ， 鲜斌 ， 殷强 ， 等 ．基于 Ａ ＲＭ 处理器的四旋翼无人机自主控制系统研究 ［ Ｊ ．中国科学技术大学学 （ ） ： 报， ２ ０ １ ２， ４ ２ ９ ７ ５ ３ ７ ６ ０． －
０ 引言
无人机从机体结构方面可以分为固定翼无人机 和旋翼式无人机两大类 ， 由于控制的复杂性问题 ， 与 旋翼式无人飞行器发展较为缓慢 ， 早 固定翼式相比 ， 期的技术水平无法 实 现 其 自 主 控 制 功 能 ． 小型旋翼 式飞行器根据其旋 翼 数 量 不 同 又 可 分 为 单 旋 翼 式 ， 共轴双旋翼式 ， 和 多 旋 翼 等 种 类． 其 中， 四旋翼无人 结构简单 、 耗能低 、 安全性高 、 对飞 机由于其体积小 、 行空间要求低等特 点 ， 成为国内外控制领域的研究 热点 ， 受到了越来越多的关注 ． 由于四旋翼无人机具 备静不稳定 、 非线性 、 强耦合 、 欠驱动的特点 ， 设计其 自主控制系统时存 在 一 定 的 难 度 ． 本文将其作为研 究对象 ， 研究自主飞行控制系统 ， 提高四旋翼无人机 的飞行控制性能 ． 国外对四旋翼无人机的研究起步较早， 技术也更 加成熟． 其中比较著名的四旋翼无人机硬件平台包括： （ ） 研制了 Ｓ ｔ ａ ｎ ｆ ｏ ｒ ｄ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ⅰ ）斯坦福大学 （ ｙ Ｓ ＴＡＲＭＡ ＣⅠ型和Ⅱ型两代四旋翼无人机系 ［ ］ １ ４ － 统 其中 ， 载重量达到了 ． Ⅱ 型的机身为自主设计 ， ， 采用了 Ｐ １ｋ Ｃ １ ０ ４ 计算机和 ＧＵＭＳ Ｔ Ｉ Ｘ 芯片两套 ｇ 并行的上层控制系统 ， 可根据不同情况进行替换 ． 下 层控 制 器 采 用 ＡＶＲ 单 片 机 ， 传感器采用了Ｉ ＭＵ、 声呐等模块 ． 该 系 统 的 特 点 是 载 重 量 大， 更加 Ｇ Ｐ Ｓ、 适合室外的远距离飞行 ． （ 研制的 Ｃ ｈ ｉ ｂ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ⅱ ）日本千叶 大 学 （ ｙ） ［ ］ ５ ８ － 四旋 翼 无 人 机 平 台 采 用 德 国 Ａ ｓ ｃ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｅ ｓ公 司 生 产 的 Ｘ ３ Ｄ－ Ｂ Ｌ 型四旋翼飞行 － ｇ 器， 负载 ３ 主 控 制 器 采 用 ＧＵＭＳ 主 ０ ０ｇ ． Ｔ Ｉ Ｘ 芯 片； 要传 感 器 采 用 了 Ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｂ ｏ ｗ 公 司 生 产 的 融合了 Ｇ ＭＮＡＶ １ ０ ０ Ｃ Ａ 系统 ， Ｐ Ｓ， Ｉ ＭＵ 及 Ｐ Ｓ 单元 ． 这一系统的特点是 造 价 低 ， 能够完成室外轨迹跟踪 功能 ， 较适合民用领域应用 ． （ Ｔ ｈ ｅ Ｐ ｅ ｎ ｎ ｓ ｌ ｖ ａ ｎ ｉ ａ Ⅲ ）宾 夕 法 尼 亚 州 立 大 学 （ ｙ ［ ］ ９ １ １ － ） 与前两 Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ 的四旋翼无人机系统 者 有 明 显 的 区 别 ．它 的 机 体 也 采 用 Ａ ｓ ｃ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ， 公司的产品 负载能力约为 传 Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｅ ｓ ０ ． ２ｋ ． ｇ ｇ 可以提供１ 感器方面采用视觉定位系统 ， ０ ０Ｈ ｚ的位 置姿态信号 ， 精度可以达到毫米级 ． 地面站在接收到 位置姿态信息后 ， 运行控制算法 ， 产生２ ０Ｈ ｚ的控制
第４ ２卷 第９期 ０ １ ２年９月 ２
Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ Ｕ Ｎ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ Ｏ Ｆ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ Ａ Ｎ Ｄ Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ Ｏ Ｌ ＯＧ Ｙ Ｏ Ｆ Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ａ
Ｖ ｏ ｌ ． ４ ２， Ｎ ｏ ． ９ Ｓ ｅ ２ ０ １ ２ ｐ．
ｕ ａ ｄ ｒ ｏ ｔ ｏ ｒ Ａ ｕ ｔ ｏ ｎ ｏ ｍ ｏ ｕ ｓ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｕ ｎ ｍ ａ ｎ ｎ ｅ ｄ ａ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｑ ｙ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｒ ｓ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ａ ＲＭ ｐ
摘要 ： 为 实现 四 旋 翼无 人机 的自主 飞 行 控制 ， 设计 并 搭 建 了 四 旋 翼 无 人 机 的 硬 件 飞 行 控 制 平 台 ． 该 平 台 采 用自 行 组 装 的 四 旋 翼飞 行 器 作 为 本体 ， 航 向 姿 态 参 考 系统 （ ＡＨＲ Ｓ） ＭＴ ｉ －Ｇ 单 元 作 为 主 要 机 载传感器， 基于四旋翼无人机的 ＡＲＭ 嵌入 式系统 芯片 作 为主控制 器 ， ＡＶＲ 单 片 机 作 为 超 控 单 元 ． 非线 性动 态 模型 ， 采 用 内外环 结构 的 Ｐ 构 造 了 无 人 机 的 位 置 与 姿 态 跟 踪 控 制 器． 实现 Ｄ 控 制 算 法， 了 四 旋 翼无 人机 滚转 角 、 俯仰 角 和 水 平 纵 向 、 横 向 位 置共 四 个 自由度的自动控制 ． 实验结果表明 ， 本 文 提 出 的 机 载 控制系统 设计 取得了 较 好 的 飞 行 控制 效 果 ． 关键词 ： 四 旋 翼无 人机 ； 实时 控制 ； 内外环 控制 ； 控制 信 号 转 换 ： ／ 中图分类号 ： Ｔ Ｐ １ ８ 文献标识码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ２ ７ ７ ８． ２ ０ １ ２． ０ ９． ０ ０ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． ０ ２ ５ ３ － ｊ
（ ） 文章编号 ： ０ ２ ５ ３ ２ ７ ７ ８ ２ ０ １ ２ ０ ９ ０ ７ ５ ３ ０ ８ － － －
基于 Ａ ＲＭ 处理器的四旋翼无人机自主控制系统研究
张 垚， 鲜 斌， 殷 强， 刘 洋， 王 福
（ 天津大学电气与自动化工程学院 ， 天津大学机器人与自主系统研究所 ， ） 天津市过程检测与控制重点实验室 ，天津 ３ ０ ０ ０ ７ ２
７ ５ ４Leabharlann 中国科学技术大学学报第４ ２卷
ｏ ｏ ｄ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ． ｂ ｏ ａ ｒ ｄ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｈ ａ ｓ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｄ ｆ ｌ ｉ ｈ ｔ ｇ ｐ ｙ ｇ ： ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ＵＡＶ； ｒ ｅ ａ ｌ ｔ ｉ ｍ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｉ ｎ ｎ ｅ ｒ ｏ ｕ ｔ ｅ ｒ ｌ ｏ ｏ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｉ ｎ ａ ｌ ｓ ｕ ａ ｄ ｒ ｏ ｔ ｏ ｒ － － － ｐ ｇ ｑ ｙ
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