基于ARM的四旋翼姿态控制器设计

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毕业论文基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计

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。

基于STM32的微型四旋翼无人机控制系统设计—软件设计

基于STM32的微型四旋翼无人机控制系统设计—软件设计首先，需要实现的是飞行控制算法。

飞行控制算法主要包括姿态估计和控制器设计两个部分。

在姿态估计中，通过加速度计和陀螺仪等传感器获取四旋翼的姿态信息，并使用滤波算法对数据进行处理，得到稳定的姿态角数据。

常用的滤波算法有卡尔曼滤波器和互补滤波器等。

在控制器设计中，根据姿态角数据和期望姿态角数据，设计合适的控制算法，生成四个电机的输出信号，以控制四旋翼的姿态。

常用的控制算法有PID控制器和模糊控制器等。

其次，需要实现的是传感器数据的获取和处理。

四旋翼无人机通常配备加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计等传感器，用于获取飞行状态相关的数据。

通过I2C或SPI等接口将传感器与STM32连接，然后通过相关的驱动程序读取传感器数据。

读取到的数据可以进行校准和滤波等处理，以提高数据的准确性和稳定性。

最后，需要实现的是控制指令的生成和发送。

控制指令的生成主要根据用户输入的期望飞行状态和传感器反馈的实际飞行状态来确定。

例如，用户输入期望的飞行速度和高度等信息，然后通过控制算法和传感器数据计算得到四电机的输出信号，以控制四旋翼实现期望的飞行动作。

生成的控制指令可以通过PWM信号或者CAN总线等方式发送给四旋翼的电调或者电机。

除了上述的基本功能，还可以根据实际需求增加一些辅助功能，如飞行模式切换、状态显示、数据记录和回放等。

这些功能可以通过开发相关的菜单和界面实现，用户可以通过遥控器或者地面站等设备进行相关操作。

总结起来，基于STM32的微型四旋翼无人机控制系统设计软件设计主要包括飞行控制算法的实现、传感器数据的获取和处理、控制指令的生成和发送等几个方面。

通过合理设计和实现上述功能，可以实现四旋翼无人机的稳定飞行和精确控制。

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。

毕业设计论文四旋翼飞行器PID控制器的设计

本设计主要介绍一种四旋翼飞行器的实现方案，以意法半导体公司生产的基于AMR Cortex-M3内核的STM32F103C8T6微型控制器作为计算控制单元，以Invensense公司生产的MPU6050作为惯性测量单元，整合飞行器姿态，以NRF24L01无线通信模块作为通信渠道，实现了上位机与下位机各项数据的实时传输，使用WFLY07遥控器实现了对四旋翼飞行器的无线遥控。本文详细介绍了四旋翼飞行器的飞行原理、硬件构造和软件设计，设计了一种PID控制器，实现了四轴飞行器的各项动作控制。
1.2四旋翼飞行器的国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
目前，国内外对四旋翼飞行器的研究主要集中在3个方面：基于惯性导行系统的自主飞行控制、基于视觉功能的自主飞行控制和自主飞行器系统方案，典型代表有：瑞士洛桑联邦理工大学(EPFL)的OS4、宾夕法尼亚大学的HMX4。
OS4是EPFL自动化系统实验室开发的一种电动小型四旋翼飞行器，研究的重点是机构设计和自主导航算法，目标是实现室内和室外完全自主飞行。OS4I最大长度约73cm，质量为235g；它使用了DraganflyerⅢ的旋翼和机架，4个Faulhaber1724电机，以及一个Xsense的MT9-B微惯性器件。通过万向节将飞行器固定在飞行测试平台上，使其在三个方向都可以灵活运动，便于调试。飞行器的能源供给、数据处理、电机驱动以及飞行控制都由外部提供。OS4已经基于PID、LQ、Backstepping及Sliding-mode等多种控制算法实现了飞行器姿态控制。
Keywords：Quad-rotor，STM32F103，MPU6050，Attitude calculation，PID controller
第一章四旋翼飞行器概述
1.1引言
目前国内外对飞行器的研究主要包括三种：固定翼、旋翼及扑翼式，四旋翼飞行器在布局形式上属于旋翼式的一种。国外早在上世纪初期就开始研究四旋翼飞行器。这种飞行器由军方率先研发并制造用于情报侦查等领域。很多科技企业、大学及研究所也研发并实现了自己的四旋翼飞行器。

基于matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证

基于matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证1. 引言1.1 背景介绍四旋翼飞行器是一种新兴的无人机飞行器，具有垂直起降和灵活性强的特点，在军事、民用和科研领域都有广泛应用。

随着科技的发展和社会的需求不断增加，四旋翼飞行器的控制系统设计和稳定性问题成为研究的热点之一。

在四旋翼飞行器的控制系统设计中，控制算法的选择和实现是至关重要的。

控制算法的设计直接影响到飞行器的稳定性和飞行性能，因此需要针对四旋翼飞行器的特点和需求来设计相应的控制算法。

通过基于Matlab的仿真分析，可以模拟四旋翼飞行器在不同环境和条件下的飞行情况，验证控制算法的有效性和稳定性。

抗干扰验证也是十分重要的，因为四旋翼飞行器在实际飞行中会受到各种干扰因素的影响，需要设计相应的控制策略来应对。

本文旨在通过基于Matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证，研究四旋翼飞行器的控制系统设计和稳定性问题，为提高飞行器的飞行性能和稳定性提供理论支持和实验数据。

也希望为今后进一步研究和开发四旋翼飞行器提供参考和借鉴。

1.2 研究目的研究目的是通过基于Matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证，探索四旋翼控制系统设计中的关键技术和方法，提高四旋翼系统的飞行稳定性和精度。

具体目的包括但不限于：深入研究四旋翼控制系统的设计原理和模型，探讨控制算法在四旋翼系统中的实际应用，分析控制系统对不同外部干扰的响应能力。

通过仿真验证和抗干扰实验，验证控制算法在不同环境条件下的有效性和稳定性，为四旋翼系统的工程应用提供理论支持和技术指导。

通过研究实践，深入理解四旋翼系统的控制原理，为进一步完善四旋翼系统的控制性能以及解决其在实际应用中面临的挑战提供参考和方向。

通过本研究，旨在为四旋翼控制技术的研究和应用提供新的思路和方法，推动四旋翼技术的发展和应用。

1.3 研究意义四旋翼无人机在军事、民用领域得到了广泛的应用，随着无人机技术的发展，其控制系统的设计和性能优化变得尤为关键。

基亏ARM内核单片机的四旋翼直升机飞行控制系统设计

ｗｉｔｈｃｏｒｅｏｆｉ～，ＬＩＵＫｕｎ，ＬＩＺｈｏｎｇ－ｊｉａｎ（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｗｅｍｉｔｙ，Ｘｉ ’ ａｎ７１０１２９，Ｃｈｉｎａ；
关键词：四旋翼直升机；飞行控制；单片机；惯性导航系统
中图分类号：Ｖ２４９．１２２文献标识码：Ａ文章编号：１６７４ — ６２３６（２０１３）ｌ３ — ００７９ — ０４
Ａｄｅｓｉｇｎｆｏｒｌｆｉｇｈｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｆｏｕｒ・ｒｏｔｏｒｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｂａｓｅｄｏｎＭＣＵ
叶文伟１，２，刘琨，李中健
（１．西北工业大学自动化学院，陕西西安７１０１２９；２．中国人民解放军９２２６１部队海南海口５７０２０３）摘要：四旋翼直升机具有４个呈交叉结构排列的螺旋桨，其独特的构型能够满足复杂环境中的任务需求。文中设计了一种四旋翼直升机飞行控制系统软硬件方案，通过传感器实时采集四旋翼的姿态、高度、位置等信息．采用ＰＩＤ算法设计飞行控制律。以ＡＲＭＣｏｔｒｅｘ — Ｍ３内核高性能单片机作为主控制器。最后采用ＣＶＩ开发的地面站软件实现在线数据采集与调参。并通过实际飞行验证了本方案的可行性与稳定性。

基于arm的四轴飞行器的设计

毕业设计（论文）题目：基于ARM的四轴飞行器的设计*名：**学号： **********专业：电子信息工程班级： 01所在学院：电气信息学院2013年 5 月目录摘要 (II)Abstract (III)第一章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 课题内容 (2)第二章总体设计 (5)2.1 系统组成 (5)2.2 软硬件功能分配 (5)2.3 I/O口分配 (6)第三章理论及计算 (9)3.1 滤波算法 (9)3.2 姿态转换与数据融合算法 (14)3.3 平衡控制算法 (17)3.4 飞行控制算法 (19)第四章硬件设计 (23)4.1 STM32最小系统电路 (23)4.2 电源供应电路 (24)4.3 各传感器驱动电路 (25)4.4 主控板PCB (28)第五章软件设计 (31)5.1 程序流程设计 (31)5.2 底层驱动子程序设计 (32)5.3 飞行姿态检测子程序设计 (33)5.4 平衡自稳子程序设计 (35)5.5 上位机数据采集子程序设计 (35)第六章调试 (37)总结 (41)致谢 (43)参考文献 (45)摘要四轴飞行器是一种集单片机技术、传感器技术、自动控制原理、无线传输技术于一身的机电一体化智能机器人。

该系统可在空中自动实现悬停，并可由人工无线控制航向以及飞行速度。

系统主要集成了内核为Cotex-M3的ARM主控芯片STM32F103、集三轴加速度计和三轴陀螺仪于一体的传感器芯片MPU6050、三轴地磁仪芯片HMC5883、高灵敏度气压计BMP180、高清晰度液晶显示模块OLED、无线传输模块NRF24L01、蓝牙串口等。

系统利用C语言进行开发，数据采集使用IIC总线协议，数字信号滤波采用一阶低通滤波、互补滤波以及滑动窗口滤波，系统控制使用增量式PID以及位置式PD算法，并在设计中使用到了MDK4.0、Altium Designer9.0、虚拟示波器、串口调试助手以及PROE5.0等开发工具。

基于手部动作的可控四旋翼飞行器系统设计

link appraisement吴永晗段凯强北方工业大学电子信息工程学院本论文发表由2018 年北京市大学生科学研究与创业行动计划项目资助（1）将皮肤信息映射到YCrCb空间后，这些像素点近似椭圆形，根据经验得知当某点的CrCb其中，方差计算如下公式（2）：（2）4）中值滤波（3）将中值滤波的概念推广至二维后，设像中各点的灰度值，滤波窗口为A的二维中值滤波器可定义其中的x，y，i，j表示待处理区域的坐标（单帧图像中（a）Pixhawk飞控板（b）遥控器和接收机（c）乐迪SE100GPS（d）非凡WiFi数传模块（e）nRF24L01无线模块图2 四旋翼飞行器硬件组成部分经过图像处理得到的结果中只含有有效的图像区域，需要设计算法，从有效的图像区域中识别指挥者意图。

我们设定手掌向上下左右四个方向运动则指挥四旋翼飞行器的上升下降左移右移。

详细算法如下：设定捕捉视频的时间间隔为50ms。

将相邻两质心的横纵坐标分别进行比较。

若坐标数值变大，则变量left 或者right 的数值加（g）识别的有效图像区域图4 手部动作获取的程序运行结果减小，则变量left 或right 数值减1。

当变量的值增加到20时，判定发出了有效指令。

这样可以减少其他动作的干扰。

若left>=20，判定指挥者做出左移命令，由后续的无线模块发送指令，四旋翼飞行器向左平移；若right>=20，判定指挥者发出右移命令，飞行器向右平移。

（a）摄像头采集的原图（b）转化到Y 空间（c）转化到Cr 空间（d）转化到Cb 空间（e）二值化处理的图像（f）滤波后的图像图5 手部图像处理程序的运行结果。

四旋翼飞行器姿态控制系统设计

⑥
２０１３Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．
计算机技术
四旋翼飞行器姿态控制系统设计
王伟马浩孙长银
（南京信息工程大学信息与控制学院，南京２１００４４
东南大学自动化学院。，南京２１００９６）
摘
要
为解决微小型飞行器姿态控制系统成本高、控制性能不稳定等缺点，以自主研发的四旋翼飞行器为研究对象，提出
采用廉价的角速率陀螺仪和加速度计，并结合姿态角模型，利用卡尔曼滤波器推测姿态角信息。考虑飞行器的建模误差以及飞行过程中存的外部干扰，为提高控制系统的鲁棒性，采用模型参考滑模控制理论（ＭｏｄｅｌＲｅｆｅｒｅｎｃｅＳｌｉｄｉｎｇＭｏｄｅＣｏｎｔｒｏｌ，
单，但对传感器与控制理论的要求相对较高。早
在２０世纪中叶，多旋翼飞行器就已经受到了国外
一
些研究机构的瞩目。直到本世纪初，ＭＥＭＳ传感
作为实验平台，研究多旋翼飞行器姿态控制系统设计方法。
多旋翼飞行器的自主飞行系统设计一般可分为三个控制回路：姿态控制、速度控制和位置控制。姿态控制（内回路控制）作为自主飞行的基础，其性能对飞行器飞行特性的影响至关重要，是整个飞行

基于ARM的四旋翼飞行器设计

基于ARM的四旋翼飞行器设计作者：马海琴叶俊明苏鹏鉴来源：《电子技术与软件工程》2015年第10期四旋翼飞行器是一种结构新颖、性能优越的垂直起降飞行器，具有操作灵活、带负载能力强等特点。

根据设计方案采购飞行器机体模型，选择直流无刷电机，功能强大的微处理器、传感器等元器件以满足系统需要。

根据系统动力学模型设计控制算法，设计四旋翼飞行器控制系统控制规律。

【关键词】ARM 无刷电机陀螺仪磁力计无线控制1 飞行控制系统总体设计系统核心控制器为ARM cortex—M3内核的单片机；惯性测量元件（IMU）提供飞行器姿态的数据等信息；高度传感器采用超声波传感器；GPS接收机输出飞行器的位置信息；无线数据模块用于飞行器与地面站的数据通信。

地面传回飞行器信息，向飞行器发送控制指令。

2 飞控系统硬件设计2.1 飞控核心板设计主控芯片选用意法半导体公司的ARM Cortex—M3内核。

其功耗低，处理速度快，拥有丰富的固件库，适合飞控板的开发。

飞控板需外加两个晶振电路。

8M晶振作为系统外部时钟，为系统提供时钟信号；32.768K晶振用于系统的实时时钟电路。

2.2 传感器数据采集及通信接口设计2.2.1组合导航系统数据采集组合导航系统采用惯性导航与GPS结合的方案，为无人机提供可靠性好和精确度高的导航信息。

惯性导航系统选择基于MEMS技术的惯性传感器，结合卡尔曼滤波算法及三轴磁力计温度补偿进行姿态解算和估计。

传感器输出的数字信号通过串口发送。

2.2.2超声波传感器用于测量高度的超传感器采用SensComp公司的615088传感器。

采用捕获中断方式测得超声波发送信号与经障碍物反射的信号，做差换算得到超声波模块与障碍物的距离。

实测在10 m范围内的距离，误差不超过0.1%，满足四旋翼飞行器飞行的精度要求。

2.2.3无线数传模块本方案所选用的无线传输模块，在开阔地的传输距离可达800 m。

主控芯片通过无线传输模块与PC机进行通信，传送获得的飞行数据到PC机以监测飞行状态，同时PC机也可以向飞行器传送控制指令。

基于ARM的四旋翼无人飞行器控制系统.

第28卷第10期2011年10月机电工程Journal of Mecha ni cal & Electrical Engin eeri ngVol . 28No. 10Oct. 2011收稿日期：2011 —03 - 24作者简介浏乾（1986-,男，河南驻马店人，主要从事嵌入式技术及网络通信方面的研究.E-mail :qianustb@163. com通信联系人：孙志锋,男,副教授,硕士生导师.E-mail :eeszf@zju. edu. cn基于ARM的四旋翼无人飞行器控制系统乾,孙志锋（浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027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。

关键词:ARM ;四旋翼无人飞行器；控制系统中图分类号：TP277; TH39文献标志码:A文章编号：1001 —4551(2011 10- 1237—04Four-rotor unmanned aerial vehicles con trol system based on ARMLIU Qia n , SUN Zhi-fe ng(College of Electrical Engin eeri ng , Zhejia ng Un iversity , Han gzhou 310027, Chi naAbstract :ln order to cha nge the conven ti onal con trol of four-rotor unmanned aerial vehicles using microc on troller as the p rocessor , a soluti on of flight con trol system basedon embedded ARM was presented The main function of the system ,the hardware structure and the software de-sig n were discussed in detail ,in cludi ng the sen sor module , the motor module , the wireless com muni catio n's high module. With embedded real time operating system to ensure the system reliability andreal-time p erforma nee , the exp erime nts results show that the requireme nts of flightmode are satisfied , including taking off , hovering , and landing and so on Key words :ARM ;four-rotor unmanned aerial vehicles ; con trol system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。

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。
ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ· 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]。

基于单片机的微型四旋翼飞行器设计

[摘要]本文对微型四旋翼飞行器自平衡算法进行研究，详细分析了应用互补滤波器，进行信号处理的思路和参数整定过程，应用滤波后的数据，进行飞行器姿态角度融合，解算出飞行器实时的俯仰角、翻滚角、偏航角。

在解算出飞行姿态角度的基础上应用PID算法控制四旋翼飞行器进行自平衡悬停及相关的运动姿态控制。

硬件上，采用STM32F103作为微控制器，以MPU6050作为四旋翼飞行器姿态传感器件，通过AO3402MOS管驱动四个空心杯电机改变飞行器姿态，设计结果是能准确测量飞行器姿态并将测量角度输出给相应坐标的电机，进行姿态调整。

本文将从硬件、软件初始化、控制算法及调试等几个篇幅详细展示整个微型四旋翼飞行器的制作过程。

[关键词] 微型四旋翼飞行器；互补滤波算法；PD控制算法；STM32F103;自平衡Abstract: This paper is a research about algorithm of Quadrotor Micro-aircraft Self-balancing. It will detailed analysis the idea about using Complementary filter deal with the digital signals and how to set the paramerers. Using the data after filtering for fusing of Quadrotor attitude Angle and calculating the Quadrotor Micro-aircraft Pitch angle, Roll angle and Yaw angle. On the basis of flying-Angle using PID algorithm controlling Quadrotor Micro-aircraft achieves the self-balancing hovering and relating motion control. Hardware uses STM32F103 as micro controller, with MPU6050 as attitude sensor of Quadrotor Micro-aircraft, through AO3402MOS tube driving four hollow cup motor to change the spacecraft attitude. The design result can accurately measure spacecraft attitude and output the measuring Angle to the corresponding coordinates of the motor and realize the attitude adjustment. This article will show the whole production process of the Quadrotor Micro-aircraft in detail from the hardware, software, the initialization, control algorithm, debug and so on.Key words: Micro four rotor aircraft;Complementary filter;PD control algorithm; STM32F103;Self-balancing目录1 绪论 (1)1.1 本课题的研究意义及必要性 (1)1.2 相关领域国内外研究现状及发展趋势 (1)1.3论文篇幅简介 (3)2 四旋翼飞行器系统分析 (4)2.1系统基本原理 (4)2.2系统功能要求 (5)2.3 系统可行性分析 (5)3 四旋翼飞行器总体设计 (7)3.1 功能模块划分 (7)3.2 系统模块设计图 (7)3.3 系统流程图 (8)3.4 开发工具和开发框架介绍 (8)3.4.1 Altium Designer 6.9介绍 (8)3.4.2 Keil for ARM介绍 (9)3.4.3 Serial_Digital_Scope V2介绍 (9)4 四旋翼飞行器详细方案设计 (10)4.1 硬件模块的功能及设计 (10)4.1.1 最小系统板STM32F103模块 (10)4.1.2 低压差电源模块 (11)4.1.3 倾角传感器模块 (11)4.1.4 空心杯电机驱动模块 (12)4.1.5 NRF24L01无线模块 (12)4.2 驱动程序功能及设计 (13)4.2.1 最小系统板初始化 (13)4.2.2 MPU6050初始化 (13)4.2.3 NRF24L01初始化 (13)4.2.4 空心杯电机驱动初始化 (14)5 四旋翼飞行器控制算法实现 (16)5.1角度及角速度数据处理算法 (16)5.1.1 互补滤波器可行性分析 (16)5.1.2 互补滤波器算法软件实现 (17)5.2姿态控制算法 (17)5.2.1 PID控制算法可行性分析 (17)5.2.2 PID控制算法软件实现 (18)5.2.3 多维度控制量输出融合算法 (19)6 四旋翼飞行器综合调试 (20)6.1基本功能实现 (20)6.1.1 姿态角度数据采集功能 (20)6.1.2 四旋翼飞行器遥控功能 (21)6.1.3 电机多维度矢量输出功能 (21)6.2高级功能实现 (22)6.2.1 姿态角度数据融合功能 (22)6.2.2 四旋翼飞行器自平衡飞行功能 (23)结束语 (24)致谢 (25)参考文献 (26)附录A 部分代码 (27)1 绪论1.1 本课题的研究意义及必要性信息时代，微电子技术及惯性传感器件的不断进步，使自平衡算法实现成为可能。

四旋翼直升机姿态控制设计

四旋翼直升机姿态控制设计一、课程设计目的1）.熟练掌握运用所学的飞行控制系统的基础知识，深入理解前期所学的专业基础课的原理。

2）.具备独立查阅中英文资料和相应的工程设计手册能力。

3）.能够掌握典型的飞行器的飞行控制系统的设计过程，包括方案的选择，姿态控制系统，包括电机伺服系统等方案的设计，误差分析等。

4）.具备熟练使用matlab语言的技能。

5）.能够对所设计的系统进行计算机仿真实验，并就仿真结果进行分析研究。

6）.对造成的系统误差的因素进行分析，改进系统设计。

二、四旋翼直升机的基本工作原理在无人直升机中，四旋翼直升机凭借其独特的的外形和结构成为国内外机构研究的热点。

与常规的布局的单旋翼直升机相比，四旋翼直升机可以使用相对较小的旋翼。

这就减小了直升机碰到其他障碍物的可能性，提高了其飞行的安全性。

此外，四旋翼直升机没有单旋翼直升机的自动倾斜器和尾桨，机械结构相对比较简单。

图四旋翼直升机结构示意图四旋翼直升机的结构如图所示。

从图中可见，当前旋翼和尾旋翼顺时针旋转，左旋翼和右旋翼逆时针旋转，并且四个旋翼转速一致，产生的升力之和等于直升机自重时，直升机可以实现静态悬停。

如果产生的升力同时增加和减少，那么四旋翼直升机可以实现上升或者下降。

当前旋翼和尾旋翼加速且左旋翼和右旋翼减速，同时四个旋翼产生的升力和直升机自重相等时，由于存在扭矩差，可导致直升机的偏航运动。

当前旋翼加速，尾旋翼减速而左旋翼和右旋翼的旋转速度保持不变时，四旋翼直升机可以实现X轴的滚转运动，即俯仰运动。

同理，也可实现Y轴的滚转运动，即滚转运动。

基于如上几种基本运动，四旋翼直升机可以实现前飞，侧飞以及其他复杂运动。

如图上所示，定义α={X E,Y E,Z E}为地面惯性坐标系，β={X B,Y B,Z B}为原点在飞机质心并且与四旋翼飞行器固连的机体坐标系。

定义向量η=[θ,ϕ,ψ]T表示直升机的三个姿态角：俯仰角θ，滚转角ϕ，偏航角ψ。

这三个欧拉角决定了直升机从惯性坐标系α到机体坐标系的转换矩阵β。

基于ARM的四旋翼姿态控制器设计

控制技术
计算机测量与控制．２０１６．２４（６）犆狅犿狆狌狋犲狉犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋牔犆狅狀狋狉狅犾
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文章编号：１６７１４５９８（２０１６）０６００７７０３ＤＯＩ：１０．１６５２６／ｊ．ｃｎｋｉ．１１－４７６２／ｔｐ．２０１６．０６．０２１中图分类号：ＴＨ８７３．７文献标识码：Ａ
基于犃犚犕的四旋翼姿态控制器设计
吴承建，沈捷，陈乾坤
（南京工业大学电气工程与控制科学学院，南京２１１８１６）
摘要：四旋翼姿态控制器采用集成了加速度计和陀螺仪的惯性测量单元，实时采集姿态数据，传输给Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ４内核的处理芯片，利用四元数姿态解算方法，对加速度和角速度数据融合解算处理；采用位置式ＰＩＤ控制算法，控制４个无刷电机的转速，实现控制四旋翼飞行器的飞行姿态；建立万向云台调试系统，通过实践调试验证该控制器能实现控制四旋翼姿态的稳定性；稳定飞行时，姿态角的平均振荡范围为５°。
飞行控制器的惯性测量单元实时测量四旋翼飞行器的姿态数据［２］，本控制器中采用的型号为ＭＰＵ６０５０，该单元内部集成了一个三轴ＭＥＭＳ加速度计和一个三轴ＭＥＭＳ陀螺仪，通过ＩＩＣ接口与主控芯片连接。由于数据打包传输，微控制芯片在接收到数据后必须先进行离散化处理，分化为对应的犡、犢、犣轴数据。ＭＰＵ６０５０对陀螺仪和加速度计分别使用了３个１６位的ＡＤＣ，将测量的模拟量转换为可输出的数字量；为了
图１四旋翼控制器结构图
有通信接口资源丰富、功耗较低、成本低和外设功能较全等特点，并且支持ＦＰＵ浮点运算，提高了数据运算精度［４］。芯片将惯性测量单元采集到的加速度与角速度数据解算成姿态角，经过增量式ＰＩＤ控制算法处理，产生相应占空比的ＰＷＭ波。惯性测量单元从采集到传输给主控制芯片耗时约３ｍｓ，因此对微控制器响应速度有一定的要求。从ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＶＧＴ６的特点来看，丰富的接口资源能够充分的满足上位机、串口、传感器等对接口的要求。１２惯性测量单元