基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计

第 2 章 四旋翼飞行器原理与硬件及软件设计 ....................................................................6
2.1 四旋翼飞行器原理分析.................................................................................................................6 2.1.1 捷联式惯性导航技术 ........................................................................................................ 6 2.1.2 四旋翼飞行器动力学分析 ................................................................................................ 7 2.1.3 四旋翼飞行器动力学建模 ................................................................................................ 9
1.1 课题研究的背景与意义.................................................................................................................1 1.2 国内外四旋翼飞行器研究现状.....................................................................................................3 1.3 论文的主要工作.............................................................................................................................5
四．毕业设计（论文）内容：
1 设计（论文）说明书（根据大纲要求） 2 设计（论文）图纸 总系统设计框图：嵌入式四旋翼飞行器设计框图：Uc/OSII 嵌入式下位机设计 框图：上位机测控软件设计框图。
五．毕业设计（论文）工作期限：
任务书发给日期
2013 年 12 月 9 日
设计（论文）工作自 2013 年 12 月 9 日 至 2013 年 6 月 15 日
Key words: Quadrotor UAV, Attitude Calculation, Cascade PID Controller, C#, DirectX 3D
II
目录
摘要……………………………………………………………………………………………I ABSTRACT............................................................................................................................. II 第 1 章 绪论 .............................................................................................................................1
I
DESIGN OF CONTROL SYSTEM FOR A QUADROTOR UAV BASED ON STM32
ABSTRACT
Quadrotor-UAV is a very hot direction of UAV Study .With the Development of the IMU; Quadrotor-UAV has got rapid development in these years.
Student: Zhang Zhicheng Advisor: Professor Feng Yuanjing
College of Information Engineering Zhejiang University of Technology
June 2014
浙江工业大学
毕业设计（论文）任务书
1995. [10] 丁亚非. Measurement Studio 用户控件技术在 Visual C++ 中的应用[J]. 微计算机应
用, 2003, 24(3): 170-173. [11] 刘峰, 吕强, 王国胜, 等. 四轴飞行器姿态控制系统设计[J]. 计算
机测量与控制, 2011, 19(3): 583-585. [12] 张广玉, 张洪涛, 李隆球, 等. 四旋翼微型飞行器设计
2010. [4] 刘火良. STM32 库开发实战指南[M]. 北京: 机械工业出版社,2013. [5] MPU6050
DataSheet. [6] HMC5883L 中文规格书. [7] MS5611-01BA01 DataSheet. [8] OpenGL 程序设计[M].
北京:清华大学出版社, 2000. [9] 计算机操作系统原理与技术[M]. 西安: 西安交通大学出版社,
(1) Designing the mechanical structure、hardware、software for the Quadrotor-UAV, and also for the remote controller and then analyze the realization.
(2) This paper introduces the SINS and model the Quadrotor-UAV based on Newton-Euler equation, and then simplifies the model. It also compares the direction cosine algorithm and the quaternion algorithm. The quaternion algorithm's calculated amount is quite low and it has no singular point, so I finally choose it to calculate the attitude. Meanwhile, I compare three attitude error-compensation algorithms and finally choose the Kaman-filter with quaternion algorithm to calculate the attitude. About the control algorithm, I tried classical PID controller and cascade PID controller, in a word, the cascade PID controller response quickly and overshoot less. This paper finally uses the cascade PID controller to control the Quadrotor-UAV. On the other hand, I tried new self-hovering algorithm that based on SINS and height sensor.
浙江工业大学信息工程学院 2014 年 6 月
Dissertation Submitted to Zhejiang University of Technology for the Degree of Bachelor
Design of Control System for A Quadrotor UAV Based on STM32
专 业 通信工程
班 级 1001 班
Fra Baidu bibliotek
学生姓名
章志诚
一．设计（论文）题目：
基于 STM32的嵌入式四旋翼飞行器控制系统设计
二．原始资料：
[1] 秦永元. 惯性导航[M]. 北京: 科学出版社, 2006. [2] 鲍齐克, 凌云旦. 数字滤波和卡尔曼滤
波[M]. 北京: 科学出版社, 1984. [3] 王小科. C# 开发实战宝典[M]. 北京: 清华大学出版社,
(3) 为了满足调试的需求，本文采用 C#编写四旋翼虚拟控制台上位机，该上位机 能够实现实时通信，在线控制四旋翼飞行器，在线对四旋翼飞行器进行参数整定并使用 DirectX 3D 技术对四旋翼飞行器进行了三维模型重构和渲染。结合上位机采集到的实验 数据对前文的算法进行了分析对比，并最终得出结论。
关键词： 四旋翼飞行器，姿态估计，串级 PID 控制，C#，DirectX 3D
[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2012, 17(3): 110-114. [13] 韩志凤, 李荣冰, 刘建业, 等. 小型四旋翼
飞行器动力学模型优化[J]. 控制工程, 2013, 1. 三．设计（论文）要求：
1．基于 STM32 的嵌入式四旋翼飞行器控制系统设计。2.系统实现。3.嵌入式下位机实现。 4.上位 机测控软件及虚拟现实的实现。
+
本科毕业设计论文
题目：基于 STM32 的嵌入式四旋翼飞行器
控制系统设计
作者姓名 指导教师 专业班级 学院
章志诚 冯 远 静 教授 通信工程 1001 班 信息工程学院
提交日期 2014 年 6 月 6 日
浙江工业大学本科毕业设计论文
基于 STM32 的嵌入式四旋翼飞行器控制系统设计
作者姓名：章志诚 指导教师：冯 远 静 教授
设计（论文）指导教师 冯 远 静
系主任 主管院长
彭宏 周晓
基于 STM32 的嵌入式四旋翼飞行器控制系统设计
摘要
四旋翼飞行器是无人飞行器中一个热门的研究分支，随着惯性导航技术的发展与惯 导传感器精度的提高，四旋翼飞行器在近些年得到了快速的发展。
本文对四旋翼飞行器的控制系统进行设计，并对其姿态估计算法、控制算法以及几 种自主悬停算法进行研究并在四旋翼飞行器上实验对比并实现。论文的主要工作和结论 如下：
This paper designed control system for the Quadrotor-UAV, studying plenty of Attitude algorithms, control Attitude algorithms and self-hovering algorithms and realized it in the Quadrotor-UAV. The main purpose and results of this paper as are that:
(3) To meet the need of debug, I use c# to make a Quadrotor-UAV virtual controller upper computer software, it can realize real-time communication, controlling the Quadrotor -UAV, and it use the D3D technique to render the Quadrotor-UAV. With the experiment information, I compared different kinds of algorithms that I mentioned before and finally got a conclusion.
(1) 本文针对四旋翼飞行器的机械结构、硬件、软件底层设计及自行设计的嵌入 式遥控的硬件设计、软件底层设计、GUI 设计及其软件实现流程进行了解析。
(2) 本文对捷联惯导技术进行了简介，并对四旋翼飞行器进行了基于牛顿-欧拉公 式的动力学建模，对其模型进行了降阶，最终简化为二阶系统，使其在工程上得以使用 PID 控制器及其改进型控制器进行控制。并对方向余弦法与四元数法进行了对比，其中， 四元数法计算量小，无奇点，因此，本文最终选择了四元数法进行姿态解算。同时，对 几种姿态误差补偿算法：卡尔曼滤波、互补滤波、梯度下降法进行分析对比，最终选择 了卡尔曼滤波与四元数法结合进行姿态估计。在控制算法方面，尝试了单级位置式 PID 与串级 PID，相比而言，串级 PID 响应快，超调量小，因此，本文最终选择了串级 PID 对四旋翼飞行器进行姿态与高度控制。同时，从微元法出发，尝试了全新的基于惯导与 高度传感器的自主悬停算法。