基于STM32的四旋翼飞行器设计

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基于STM32的四轴飞行器设计

基于STM32的四轴飞行器设计引言：四轴飞行器（Quadcopter）是一种重量轻、机动性强的飞行器，在无人机技术中应用广泛。

本文将介绍基于STM32的四轴飞行器设计。

一、STM32介绍：STM32是意法半导体公司推出的一款高性能32位微控制器系列，它具有强大的计算处理能力和丰富的外设资源，非常适合用于四轴飞行器的设计和控制。

二、硬件设计：1.处理器选择：选用性能较高的STM32系列微控制器作为飞行器的主控制单元，可根据实际需求选择合适的型号。

考虑到计算处理能力和外设资源的要求，建议采用高性能的STM32F4系列或STM32H7系列微控制器。

2.传感器：四轴飞行器需要借助多种传感器来获取飞行状态的信息，包括陀螺仪、加速度计、磁力计等。

这些传感器可以通过I2C或SPI接口与主控制单元连接，以获取实时的飞行姿态和姿态控制信息。

3.无线通信模块：可选择适合的无线通信模块，如Wi-Fi模块或蓝牙模块，用于与地面站或其他设备进行数据传输和控制指令的交互。

通过无线通信模块，可以实现四轴飞行器的遥控操作和数据传输。

4.电机和电调：四轴飞行器需要四个无刷电机和相应的电调来实现动力推力的控制。

电机和电调的选择应根据载荷和预期飞行能力来确定，同时需要考虑与主控制单元的通信接口兼容性。

5.电源系统：四轴飞行器需要一种可靠的电源系统来驱动其各个部件。

主要包括锂电池、电流传感器和稳压模块。

电流传感器用于监测整个系统的功耗，稳压模块用于为主控制单元和其他模块提供稳定的电源。

6.启动与显示模块：飞行器需要一种方便的启动与显示模块来显示系统状态和预警信息。

可以选择配备一块小型的液晶显示屏或LED指示灯，以及相关的按键和蜂鸣器。

三、软件设计：1.实时操作系统（RTOS）：可以选择合适的RTOS系统，如FreeRTOS或CMSIS-RTOS，用于实现四轴飞行器的任务管理和调度。

RTOS可以提供任务优先级调度、实时中断处理等相关功能，保证飞行器的实时性和稳定性。

基于STM32的四旋翼无人机设计

基于STM32的四旋翼无人机设计无人机技术的发展已经逐渐成为科技领域的热门话题，而四旋翼无人机则是其中一种应用广泛的无人机类型。

它可以应用于农业、航拍、物流等各种领域，具有很大的市场潜力。

本文将介绍基于STM32的四旋翼无人机设计，讨论其硬件构架和软件系统，希望可以为无人机爱好者提供一些技术方面的参考和帮助。

一、硬件构架1. 电机和螺旋桨四旋翼无人机采用四个电机驱动四个螺旋桨来产生上升力和姿态控制。

选择合适的电机和螺旋桨对于无人机的飞行性能至关重要。

电机需要具备足够的功率和转速来推动螺旋桨产生足够的升力，并且要求响应速度快，可以方便地实现姿态控制。

螺旋桨的尺寸、材质和设计也需要仔细选择和匹配，以确保其具有良好的气动性能和结构强度。

在选用电机和螺旋桨时，还需要考虑整机的配比和平衡，以保证无人机的飞行平稳性和操控性。

2. 传感器系统无人机的传感器系统是其智能化和自主飞行的关键。

常见的传感器包括陀螺仪、加速度计、罗盘、气压计等。

这些传感器可以实现无人机的姿态感知、空间定位和高度控制等功能，从而保证无人机的飞行稳定性和精准性。

在选择传感器时，需要考虑其精度、响应速度、通信接口和适应环境等因素，以保证传感器系统可以满足无人机的实际飞行需求。

3. 控制系统基于STM32的四旋翼无人机设计通常采用飞控主板来实现飞行控制和数据处理。

飞控主板集成了微处理器、传感器接口、无线通信模块等功能，可以实现无人机的自主控制和遥控操作。

在设计控制系统时，需要考虑飞行控制算法、通信协议、数据处理速度等因素。

飞控主板还可以通过扩展接口连接其他外围设备，如GPS模块、避障传感器、摄像头等，实现更丰富的功能和应用。

二、软件系统1. 飞行控制算法飞行控制算法是基于传感器数据和飞行器状态信息，实现对电机转速和螺旋桨姿态的智能控制。

常见的飞行控制算法包括PID控制、自适应控制、模糊控制等。

这些算法可以根据无人机的动力学特性和环境变化，实现稳定的姿态控制、高效的空间定位和精准的高度控制。

采用STM32设计的四轴飞行器飞控系统

采用STM32设计的四轴飞行器飞控系统四轴飞行器飞控系统是一种应用于四轴飞行器上的关键控制设备。

它包括硬件和软件两个部分，用于控制飞行器的姿态、稳定性和导航等功能。

其中，采用STM32设计的四轴飞行器飞控系统因其高性能、低功耗和丰富的外设资源而受到广泛关注。

一、硬件设计：1.处理器模块：采用STM32系列微控制器作为处理核心。

STM32系列微控制器具有较高的计算能力和丰富的外设资源，能够满足飞行控制的计算需求。

2.传感器模块：包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计等传感器。

加速度计用于测量飞行器的线性加速度，陀螺仪用于测量飞行器的角速度，磁力计用于测量飞行器的方向，气压计用于测量飞行器的高度。

3.无线通信模块：采用无线通信模块，如蓝牙、Wi-Fi或者无线射频模块，用于与地面站进行通信，实现飞行参数的传输和遥控指令的接收。

4.电源管理模块：对飞行器的电源进行管理，确保各个模块的正常运行。

包括电池管理、电量检测和电源开关等功能。

5.输出控制模块：用于控制飞行器的电机、舵机等执行机构，实现对飞行器的姿态和动作的控制。

二、软件设计：1.飞行控制程序：运行在STM32微控制器上的程序，用于实时读取传感器数据、运算控制算法、输出控制信号。

该程序包括姿态解算、飞行控制和导航等模块。

-姿态解算模块：根据加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器数据，估计飞行器的姿态信息，如俯仰角、横滚角和偏航角。

-飞行控制模块：根据姿态信息和目标控制指令，计算出电机和舵机的控制信号，保证飞行器的稳定性和灵敏度。

-导航模块：利用GPS等导航设备获取飞行器的位置和速度信息，实现自动驾驶功能。

2.地面站程序：在地面计算机上运行的程序，与飞行器的无线通信模块进行数据交互。

地面站程序可以实时监测飞行器的状态和参数，并发送控制指令给飞行器。

总结：采用STM32设计的四轴飞行器飞控系统是一种高性能、低功耗的控制设备，包括硬件和软件两个部分。

硬件包括处理器模块、传感器模块、无线通信模块、电源管理模块和输出控制模块。

基于STM32的四旋翼飞行器设计

摘要四轴飞行器是一种结构紧凑、飞行方式独特的垂直起降式飞行器，与普通飞行器相比，具有结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大升力等优点，所以在军事和民用多个领域都有广阔的应用前景，非常适合在狭小空间内执行任务。

本设计采用stm32f103zet6作为主控芯片，3轴加速度传感器mpu6050作为惯性测量单元，通过2.4G无线模块和遥控板进行通信，最终使用PID控制算法以PWM方式控制电子调速器驱动电机实现了四轴飞行器的设计。

关键词：四轴飞行器,stm32;mpu6050,2.4G无线模块.PID.PWMAbstractQuadrocopter has broad application prospect in the area of military and civilian because of its advantages of simple structure. Small size, low failure rate, taking off and landing ertically . etc. it is suitable for having task in narrow space.This design uses STM32f103zet6 as the master chip, and triaxial accelerometer mpu6050 inertial measurement unit, via 2.4G wireless module and remote control panel for communication. Finally using pid control algorithm with pwm drives the electronic speed controller to change moto to realize the design of quadrocopter.Key word : quadrocopter,stm32,mpu6050,2.4G wireless module ;pid; pwm目录第一章作品难点与创新 (1)1.1作品难点 (1)1.2创新点 (1)第二章方案论证与设计 (2)2.1飞控部分硬件框图 (2)2.2遥控器部分硬件框图 (2)2.3各部分元器件介绍 (3)2.3.1 stm32介绍 (3)2.3 .2电子调速器 (4)2.3.3 mpu6050六轴传感器 (5)2.3.4 无线通信NRF24L01 (6)第三章原理分析与硬件电路图 (8)3.1 飞行器空气动力学分析 (8)3.2飞控部分硬件电路图设计 (10)3.3 遥控部分硬件电路图设计 (10)第四章软件设计与流程 (11)4.1 pid算法分析 (11)4.2串级pid系数的整定 (12)4.3串级pid系统框图 (13)4.3.1 飞控部分程序设计 (14)4.3.2遥控部分程序设计 (14)第五章系统测试与误差分析 (15)第六章总结 (19)参考文献 (21)第一章作品难点与创新1.1作品难点对于一种芯片，最麻烦的就是底层的驱动了，很多驱动得自己编写，为了最大发挥处理器的性能，做了很多驱动优化，将不必要的延时降到最低，比如I2C 总线驱动，官方的代码不符合自己的要求，通信效率低，我们花了几天的时间去优化这个驱动，使用了模拟的IIC接口，最后在保证稳定性的前提下，速度提高了一倍。

基于STM32的四轴飞行器设计

基于STM32的四轴飞行器设计四轴飞行器是一种常见的航空模型，它由四个电动马达驱动，通过调整转速控制飞行器的姿态和位置。

在本文中，我将介绍如何使用STM32微控制器设计一个四轴飞行器。

这项设计需要以下四个组成部分：飞行控制器、传感器、电动机和通信模块。

首先，我们需要一个飞行控制器来处理飞行器的姿态控制和位置控制。

我们可以使用STM32微控制器作为飞行控制器，因为它具有强大的计算能力和高性能的外设。

STM32微控制器通常具有多个通用输入/输出引脚，用于连接传感器和电动机。

此外，STM32微控制器还可以运行飞行控制算法并控制电动机的转速。

其次，我们需要一些传感器来感知飞行器的姿态和位置。

常见的传感器包括陀螺仪、加速度计和磁力计。

陀螺仪可以测量飞行器的旋转速度和方向，加速度计可以测量飞行器的加速度和倾斜角度，磁力计可以测量飞行器相对于地球磁场的方向。

这些传感器的测量数据将用于计算和控制飞行器的姿态和位置。

第三，我们需要四个电动机来驱动飞行器的运动。

每个电动机都连接到飞行控制器的输出引脚，并通过调整电动机转速来调整飞行器的姿态和位置。

通过控制四个电动机的转速，我们可以实现飞行器在空中的稳定飞行和准确控制。

最后，我们需要一个通信模块来与飞行器进行通信。

通常，我们使用无线通信模块，如蓝牙或无线局域网，来控制飞行器的飞行和监控其状态。

通过与通信模块连接，我们可以使用智能手机或其他设备来发送指令和接收飞行器的数据。

在设计四轴飞行器时，我们需要首先将传感器和电动机连接到STM32微控制器。

然后，我们需要编写飞行控制算法并将其加载到STM32微控制器上。

接下来，我们可以使用通信模块与飞行器连接并发送控制指令。

最后，我们可以启动电动机并观察飞行器的飞行和姿态控制效果。

总之，基于STM32微控制器的四轴飞行器设计是一个复杂而有趣的工程项目。

通过合理选择传感器、编写飞行控制算法和使用通信模块，我们可以实现一个高度稳定和可控的四轴飞行器。

基于STM32的四旋翼飞行器设计

基于STM32的四旋翼飞行器设计四旋翼无人机是一种多轴飞行器，由四个电机驱动四个旋翼产生升力来进行飞行。

它具有简单结构、灵活机动、携带能力强等特点，被广泛应用于航空航天、电力、农业、测绘和娱乐等领域。

本文将基于STM32微控制器，设计一个基本的四旋翼飞行器。

首先，我们需要选用一款合适的STM32微控制器作为核心控制单元。

根据不同需求，可以选择不同型号的STM32芯片。

需要考虑的因素包括处理器性能、输入输出接口、通信接口等。

接下来，我们需要选用合适的电机和电调。

电机和电调是四旋翼飞行器的动力系统，直接影响飞行器的性能。

选择电机时需要考虑电机功率、转速、扭矩等参数。

而选择合适的电调则需要考虑电流容量、控制方式等因素。

四旋翼飞行器还需要传感器来获取飞行状态和环境信息。

常见的传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计和气压计等。

这些传感器将实时提供飞行器的姿态、加速度、地理位置和气压等数据，用于飞行控制。

在飞行控制方面，我们需要实现飞行器稳定的控制算法。

PID控制器是常用的控制算法之一，通过调节电机转速来控制飞行器的姿态。

PID控制器的参数需要根据实际情况进行调整，以实现稳定的飞行。

此外，四旋翼飞行器还需要通信功能，以便与地面站进行数据传输。

常见的通信方式有蓝牙、Wi-Fi和无线电调制解调器等。

通信功能可以实现飞行器的遥控和数据传输，使飞行器具备更广阔的应用空间。

最后，为了实现全自动飞行，还可以加入GPS导航系统和图像处理系统。

GPS导航系统可以提供精准的飞行位置和速度信息，通过编程实现预设航点飞行。

图像处理系统可以通过摄像头获取实时图像，并进行目标识别和跟踪，实现智能飞行等功能。

综上所述，基于STM32的四旋翼飞行器设计需要考虑微控制器选型、电机电调选择、传感器使用、飞行控制算法、通信功能等方面。

通过合理的设计和编程，可以实现一个功能齐全、性能稳定的四旋翼飞行器。

基于STM32的四旋翼飞行器姿态测量系统设计

基于STM32的四旋翼飞行器姿态测量系统设计曹延超【期刊名称】《软件》【年(卷),期】2015(000)001【摘要】With the development of unmanned aerial vehicles, four-rotor aircraft attracts more and more researchers' attention. This paper presents a rotor aircraft attitude measurement system design based on the STM32. The attitude mea-surement platform based on STM32 is a data acquisition and attitude calculation platform. In this paper, the system on the STM32 transplants themC / OS-Ⅲ operating system, which gathers acceleration, angular velocity, and data from other sensors, and uses quaternion algorithm, Kalman filtering to achieve attitude measurement data. At last, this platform trans-ports attitude measurement data to PC soft through the wireless module. With wireless receiver module, PC soft can display attitude acquisition. Finally, through a comprehensive experiment on this platform, it has verified the platform's feasibility and effectiveness, which can get the effective attitude measurement data in time.%随着无人飞行器的发展，四旋翼飞行器逐渐受到更多研究者的关注。

基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计

基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计引言：四旋翼无人机近年来逐渐走向商业化和日常生活化，广泛应用于航拍、货运、农业等领域。

为了保证飞行器的平稳、安全飞行，需要设计一个可靠的控制系统。

本文基于STM32单片机，设计了一种适用于四旋翼飞行器的控制系统。

一、硬件设计1.主控板主控板采用STM32单片机，该单片机具有高性能、低功耗、强大的控制能力等优势。

它能够完成飞行器的数据处理、控制输出等任务。

2.传感器为了获取飞行器的姿态信息，需要使用加速度传感器和陀螺仪。

加速度传感器用于测量飞行器的加速度，陀螺仪用于测量飞行器的角速度。

这些传感器通常被集成在一块模块上，直接连接到主控板。

3.遥控器为了实现飞行器的遥控操作，需要使用遥控器。

遥控器通过无线通信与主控板进行数据传输，控制飞行器的起降、悬停、转向等操作。

4.电源管理飞行器控制系统需要提供可靠的电源供电。

因此，需要设计一个电源管理模块，包括锂电池、电池充电管理电路和电源开关等。

二、软件设计1.姿态估计通过加速度计和陀螺仪的数据，使用滤波算法（如卡尔曼滤波）对飞行器的姿态进行估计。

根据姿态的估计结果，可以计算出飞行器的控制输出。

2.控制算法针对四旋翼飞行器，常用的控制算法有PID控制算法和模糊控制算法。

PID控制算法通过比较飞行器的期望姿态和实际姿态，计算出相应的控制输出。

模糊控制算法可以根据模糊规则和模糊集合来计算出控制输出。

3.通信模块为了实现与遥控器之间的无线通信，需要使用无线通信模块，例如蓝牙模块或者无线射频模块。

通过与遥控器进行数据传输，可以实现遥控操作，并接收遥控器发送的命令。

三、控制流程1.初始化飞行器启动时，首先进行传感器的初始化，包括加速度传感器和陀螺仪的初始化。

然后进行电源管理的初始化，确保电源供电正常。

2.传感器数据采集通过传感器采集飞行器的姿态数据，包括加速度和角速度。

3.姿态估计根据传感器采集的数据，使用滤波算法对飞行器的姿态进行估计。

基于STM32的四旋翼无人机智能控制方法设计

基于STM32的四旋翼无人机智能控制方法设计四旋翼无人机是一种应用广泛的无人机类型，它由四个同心排列的旋翼组成，能够提供稳定的飞行能力。

在基于STM32的四旋翼无人机智能控制方法设计中，我们需要考虑飞行稳定性、遥控操控能力以及自动控制能力等方面。

首先，为了保证飞行的稳定性，我们可以采用PID控制方法。

PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成，可以根据飞行状态的误差来调整旋翼的转速。

通过调整PID参数，可以使得飞行器能够更好地保持平衡。

在STM32上，我们可以通过编程来实现PID控制器，并将其与四个旋翼的电机连接起来。

其次，为了实现遥控操控能力，我们可以利用STM32的GPIO口和UART通信接口来实现无人机与遥控器之间的通信。

遥控器通过按键或摇杆等控制方式发送信号给STM32，STM32将接收到的信号解码后，将其转化为相应的控制指令，再发送给飞行器的电机。

利用STM32的中断功能，我们可以实现快速响应遥控指令的功能，使得飞行体验更加流畅。

最后，为了提高无人机的自动控制能力，我们可以加入一些传感器，例如陀螺仪、加速度计和姿态传感器等。

这些传感器可以实时感知无人机的飞行状态，例如俯仰角、滚转角和偏航角等。

通过将传感器的数据传输给STM32，我们可以根据具体的飞行算法来实现自动控制功能，例如自动起飞、自动降落和自动悬停等。

在基于STM32的四旋翼无人机智能控制方法设计中，我们需要结合硬件设计和软件设计。

硬件方面，我们需要设计电机驱动电路、通信电路和传感器接口电路等。

软件方面，我们需要进行编程，实现PID控制算法、遥控通信协议和传感器数据处理算法等。

综上所述，基于STM32的四旋翼无人机智能控制方法设计是一个复杂的系统工程，需要考虑飞行稳定性、遥控操控能力和自动控制能力等方面的要求。

通过合理的硬件设计和软件编程，我们可以实现一个功能强大、性能优越的四旋翼无人机。

基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现共3篇

基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现共3篇基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现1基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现四旋翼飞行器可以说是近年来无人机发展的代表，其在农业、环保、救援等领域的应用越来越广泛。

本文将介绍基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现，着重讲解硬件设计和程序开发两个方面的内容。

一、硬件设计1、传感器模块四旋翼飞行器需要各种传感器模块来获取飞行状态参数，包括加速度计、陀螺仪、罗盘、气压计等。

其中，加速度计和陀螺仪通常被集成在同一个模块中，可以采用MPU6050或MPU9250这种集成传感器的模块。

气压计则可以选择标准的BMP180或BMP280。

罗盘的选型需要考虑到干扰抗性和精度，常用HMC5883L或QMC5883L。

2、电机驱动四旋翼飞行器需要四个电机来驱动，常用的电机是直流无刷电机。

由于电机电压较高，需要使用电机驱动模块进行驱动。

常用的电机驱动模块有L298N和TB6612FNG等。

3、遥控器模块飞行器的遥控器模块通常由一个发射器和一个接收器组成。

发射器采用2.4G无线传输技术，可以通过遥控器上的摇杆控制飞行器，遥控器还可以设置飞行器的航向、高度等参数。

接收器接收发射器传来的信号，必须与飞行器的控制系统进行通信。

4、飞行控制器飞行控制器是飞行器的核心部分，它通过传感器模块获取飞行状态参数，再结合遥控器模块传来的控制信号，计算出飞行控制指令，驱动电机模块控制飞行器的不同动作。

常用的飞行控制器有Naze32、CC3D、Apm等，本文将采用开源的Betaflight飞行控制器。

二、程序开发1、Betaflight固件烧录Betaflight是一款基于Cleanflight的开源固件，它具有良好的稳定性和强大的功能。

将Betaflight固件烧录到飞行控制器中需要使用ST-Link V2工具，同时需要在Betaflight Configurator中进行配置，包括传感器矫正、PID参数调整、遥控器校准等。

基于STM32的四旋翼无人机设计

基于STM32的四旋翼无人机设计在本文中，我们将会介绍基于STM32的四旋翼无人机设计，包括硬件设计、软件开发和飞行控制等方面。

一、硬件设计1. 传感器模块在四旋翼无人机中，传感器模块的设计非常重要，主要包括陀螺仪、加速度计、磁力计和气压计等传感器。

这些传感器可以用于测量无人机的姿态角、加速度、磁场强度和气压，从而实现飞行控制和稳定性。

在STM32的硬件设计中，可以选择常见的MPU6050、HMC5883L、MS5611等传感器作为传感器模块，并通过I2C或SPI接口与STM32连接，实现传感器数据的采集和处理。

2. 无刷电机驱动模块四旋翼无人机的推进力主要来自四个无刷电机，因此无刷电机驱动模块的设计非常关键。

在STM32的硬件设计中，可以选择常见的电调模块（如BLHeli系列）作为无刷电机驱动模块，通过PWM信号控制电机的转速和转向。

还需要考虑电机与电调模块的连接方式和供电方式，以保证无人机的稳定飞行。

3. 通信模块通信模块是无人机与地面站或其他设备进行数据传输的重要组成部分。

在STM32的硬件设计中，可以选择常见的2.4G/5.8G数传模块（如NRF24L01、XBee、HC-12等）作为通信模块，通过串口与STM32连接，实现无人机与地面站的数据交换和控制。

二、软件开发1. 飞行控制算法飞行控制算法是无人机的灵魂，直接影响无人机的飞行性能和稳定性。

在基于STM32的四旋翼无人机设计中，可以采用常见的PID控制算法，通过对传感器采集的数据进行处理，控制无刷电机的转速和姿态角，实现无人机的稳定飞行。

还可以结合卡尔曼滤波算法对传感器数据进行融合和处理，提高飞行控制系统的精度和稳定性。

2. 地面站软件地面站软件是无人机与操作员进行交互的重要工具，主要用于监控无人机的状态、下达飞行任务和参数设置等功能。

在基于STM32的四旋翼无人机设计中，可以开发PC端或移动端的地面站软件，通过串口或数传模块与无人机进行数据交换和控制。

基于stm32的微型四旋翼飞行器设计

定为0，然后调内环PID，首先将I和D置0，对单P进行调试，当用手干扰系统能感觉到有一定恢复力并有点晃动时，P就为理想值。在P值确定好的情况下调节I值，I主要是消除稳态误差，对P有辅助作用，当用手去干扰系统，系统能较快的恢复水平，此时的I值就为理想值。由于调试P和I能达到预期效果，所以内环D值置0，内环参数确定好后再对外环参数进行调试，外环主要作用是控制四旋翼姿态响应快慢，本次调试期望值是0，调试外环单P，用手给 PITCH方向一个力，四旋翼能快速达到设定角并保持水平飞行，此时的P就为理想值。在调试过程过程中虽然四旋翼能快速达到设定角，但是系统会有一点震荡，通过调试外环D，当系统不再震荡时，记下D值。对ROLL方向的调试步骤同上。最终调试飞行效果如图10所示，对PITCH方向调试参数如表1所示，对ROLL方向调试参数如表2所示。
ELECTRONICS WORLD・技术交流
基于STM32的微型四旋翼飞行器设计
贵阳学院电子与通信工程学院古训贵州民族大学机械电子工程学院郑亚利
本文以STM32F103C8T6为主控制器，采用MPU6050完成姿态信息采集，通过蓝牙模块完成四旋翼飞行器与电脑之间的通信， Nrf2401完成微型四旋翼飞行器和遥控器之间的通信。将MPU6050 采集的数据由四元素法转换成欧拉角对四旋翼进行姿态解算控制，通过串级PID控制四个空心杯电机的转速，实现了微型四旋翼飞行器PITCH和ROLL方向的稳定水平飞行。
1.引言四旋翼在无人机研究领域中是发展最快、研究最多的一种飞行
器（赵鹏，郑文豪，李刚，基于STM32的四旋翼飞行器的设计：电子制作,2019），目前主要应用于研发平台、军事和执法、商业应用方面。四旋翼飞行器体积小、质量轻、飞行稳定，可应用于执行航拍、监控、勘察、救援等飞行任务。其工作原理是主控芯片输出四路PWM波调节四个电机的转速来改变四个旋翼的转速，从而改变螺旋桨产生的升力，使四旋翼飞行器的位置和姿态得以控制。四旋翼飞行器是一个欠驱动系统，它有4个输入，分别是上升力和三个方向的转矩，6个输出分别是垂直、前后、侧向、俯仰、滚转、偏航运动。四旋翼飞行器有垂直、横滚、俯仰、偏航四种基本飞行控制方式。本文主要介绍四旋翼硬件设计以及串级PID对PITCH和ROLL方向的平衡控制影响。

基于STM32四旋翼飞行器设计与算法

基于STM32四旋翼飞行器设计与算法近些年微机电系统（MEMS）的快速发展，现代控制的理论算法在四旋翼飞行器控制得到广范运用。

文章从四个部分对四旋翼飞行器的硬件设计与控制算法进行研究，首先分析飞行器原理与结构，建立动力学方程模型，然后对主控电路STM32F411CE和发射、接收电路NRF51822+RFX2401C的设计进行介绍，之后利用卡尔曼滤波算法将获取MPU9250（加速度计和陀螺仪）的姿态数据进行融合，设计出一款超高性能PID控制器，最后利用数学工具MATLAB/Simulink对滤波前后的信号波形进行比较，突显卡尔曼滤波算法先进性。

标签：动力学方程；NRF51822+RFX2401C；卡尔曼滤波算法；MATLAB/SimulinkAbstract：In recent years，with the rapid development of Micro Electromechanical System （MEMS），modern control theory and algorithm have been widely used in the control of four-rotor aircraft. In this paper，the hardware design and control algorithm of the four-rotor aircraft is studied in four parts. Firstly，the principle and structure of the vehicle are analyzed，and the dynamic equation model is established. Then the design of main control circuit STM32F411CE and transmitting and receiving circuit NRF51822 + RFX2401C is introduced. Then the attitude data obtained from MPU9250 （accelerometer and gyroscope）are fused by Kalman filter algorithm，and a super-high performance PID controller is designed. Finally，MATLAB/Simulink is used to compare the signal waveforms before and after filtering，which highlights the advancement of Kalman filtering algorithm.Keywords：kinetic equation；NRF51822+RFX2401C；Kalman filter algorithm；MATLAB/Simulink四旋翼飞行器因具备体积小，质量轻，结构简单，可悬停和垂直起降等优点，可用于国防军事，海洋执法监测和民用生活航拍领域。

基于stm32f103四旋翼飞行器设计

• 116•四旋翼在人们的日常生活中应用的越来越为广泛，它可以广泛的应用于民用、科技和军事领域，但一般的四旋翼具有设计复杂，造价高的特点。

本文设计的四旋翼采用STM32F103为主控芯片，系统主要由主控板、机架、MP6050陀螺仪、电机模块、超声波、无线通信等模块组成。

四旋翼可以做垂直升降，翻滚，前进后退，左移右移等动作。

系统具有成本低，设计合理，具有较好的实用价值。

1 研究背景及意义随着近些年科技的飞速发展，传感器、无刷电机、单片机、锂电池、通讯技术等为后来四旋翼飞行器的发展奠定了基础。

四旋翼飞行器相比与传统的固定翼无人机有很多优点，首先四旋翼的体积小，隐蔽性高适合用于军事侦察、农林业调查等活动中。

其次它的生产成本低，人人用的起，可用于玩具航模、航拍等娱乐活动中。

四旋翼飞行器的看似简单，但是里边涉及到的东西非常多，要考虑到的方面也有很多，从四旋翼的整体机架、主控板的选择、软件的机构和各个机构的搭配安装都需要考虑。

本次设计针对四旋翼飞行器更加平稳飞行进行更深入的研究，它将为四旋翼飞行器在飞行过程中飞的更加平稳，使得四旋翼在各个领域作出突出贡献。

图1 硬件系统设计图2 系统整体设计如图1所示硬件系统包括：电机、电池、主控板（STM32F1）、无线通讯模块、显示模块和姿态传感器模块（MPU-6050）。

飞行过程中姿态传感器模块获得飞行器的状态信息，将实际姿态数据传送给控制器模块，并和遥控器通过无线通讯模块传来的目标姿态数据比较，通过一系列复杂的算法，得到飞行器的姿态和位置信息，计算出控制量，转化为对应的PWM 信号，经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四旋翼稳定飞行。

3 硬件设计基于成本、功耗和性能等因素综合考虑，主控板和遥控板的芯片选用STM32F103作为主控芯片，STM32F103是一个具有丰富资源丰富、高速时钟的精简指令、低功耗的微处理器。

它拥有从64K 或128K 字节的闪存程序可选存储器，高达20K 字节的RAM ，2个12位模数转换器多达16个输入通道，多达11个定时器其中高级定时器可产生不同的PWM ，并有着多功能的PWM 输出模式，可以通过设置其寄存器来对PWM 输出进行改变，方便的控制电机。

基于STM32的四旋翼飞行器设计

【关键词】stm32 四旋翼飞行器变参数pid控制卡尔曼滤波随着航天技术的不断发展和成熟，四旋翼飞行器以其低成本、体积小、对环境要求低、高性能、独特构造和飞行方式等特点，被广泛应用于军事和民用领域。

本文以飞行器控制算法为研究主题，重点研究四旋翼飞行器的算法结构，设计飞行控制算法，提出一套基于卡尔曼滤波算法的姿态检测系统，并以改进的变参数pid控制算法来进行控制，实现了四旋翼飞行器的稳定飞行、悬停、航拍等功能，验证了设计的合理性。

1 飞行器工作原理四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机，是一种有四个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器，是固联在刚性十字交叉结构上，由4个独立电机驱动的螺旋桨组成的6自由度系统。

四旋翼一般具有两种飞行模式，x飞行模式和十字飞行模式，实验证明x模式较十字模稳定且便于控制，所以本文设计中采用的是x飞行模式，结构图如图1所示。

在四旋翼的中轴处mcu 将无线模块传达的控制数据发送给电调，再通过电调控制三相无刷电机的转速变化实现俯仰运动、偏航运动、垂直起落运动和空中悬停。

飞行器在做俯仰运动过程中电机0、1或2、3转速同时增减，并且其余两个电机转速也发生变化，变化方向与其相反；偏航动作过程中电机0、2或者1、3转速增加，同时其余两个电机保持原有转速；垂直起落过程中四路电机转速同步加减，当四路电机所产生的升力与四旋翼自身重力相等时，飞行器保持悬停状态。

2 硬件设计四旋翼飞行器的硬件设计包括两部分：飞行器主体硬件结构设计、遥控器硬件结构设计。

2.1 飞行器主体硬件结构设计2.2 遥控器硬件结构设计本文的遥控器是自行设计制作的，利用cad软件设计出了遥控器外壳的双层平面模型，并利用雕刻机对亚克力进行镂空加工，设计pcb外形并导入电路板绘制工具软件，将pcb板嵌在两层亚克力模型版中。

遥控器主要mcu、无线通信模块、显示部分、飞行控制量输入部分、参数微调部分、指示部分组成。

由遥控器的mcu同样采用stm32f103vet6，无线通信模块采用大功率nrf24l01模块通过spi串行通信总线与mcu相连；显示部分由2.4寸tft彩屏和驱动电路组成，通过系统总线与mcu连接实现显示功能；飞行控制量输入部分由碳膜型遥感电位器和拨盘电位器组成，通过mcu的12位ad接口采集模拟信息，作为四旋翼的动作和云台动作控制量；参数微调部分由贴片按键实现，可以微调遥控器的飞行参数，指示部分由贴片led组成。

基于Arduino兼容的Stm32单片机的四旋翼飞行器设计

基于Arduino兼容的Stm32单片机的四旋翼飞行器设计基于Arduino兼容的STM32单片机的四旋翼飞行器设计一、引言随着无人机技术的发展和应用，四旋翼飞行器成为了热门的研究领域。

它具有飞行稳定性高、机动性好、适应性强等优势，被广泛应用于农业植保、航拍摄影、物流配送等领域。

本文基于Arduino兼容的STM32单片机设计四旋翼飞行器，主要包括硬件设计和软件编程的内容。

二、硬件设计1. 硬件选型本设计采用STM32F103C8T6单片机作为处理器，其具有性能稳定可靠、易于操作等特点，同时兼容Arduino，可以借助开发环境进行编程；四个无刷直流电机作为动力源，通过控制电调来实现转速的控制；姿态传感器采用MPU6050六轴传感器，用来检测飞行器的倾斜角度；无线通信模块采用nRF24L01，用于与遥控器进行通信。

2. 电路设计整个飞行器系统的电路由电源管理电路、控制电路、传感器电路和通信电路四部分组成。

（1）电源管理电路：使用锂电池作为电源，通过电源管理芯片实现电池的充电和保护管理，确保系统电源的稳定性。

（2）控制电路：STM32单片机作为核心控制器，连接电机驱动电路、姿态传感器以及通信模块。

通过Arduino提供的开发环境，编写控制算法，实现电机的转速控制，以及飞行器的姿态控制。

（3）传感器电路：连接MPU6050六轴传感器，用于检测飞行器的姿态，包括加速度和角速度等数据。

通过与STM32单片机的通信，采集传感器数据并进行处理，实现飞行器的稳定控制。

（4）通信电路：通过nRF24L01无线通信模块与遥控器进行通信，实现遥控器对飞行器的控制。

三、软件编程1. 飞行控制算法飞行器的稳定控制是整个系统的核心。

在设计中，通过PID控制算法来实现飞行器的稳定飞行。

PID控制算法基于偏差（error）进行计算，包括比例环节、积分环节和微分环节。

其中，比例环节用来衡量偏差的大小，积分环节用来补偿系统漏差，微分环节用来预测偏差的变化趋势。

基于Arduino兼容的Stm32单片机的四旋翼飞行器设计

基于Arduino兼容的Stm32单片机的四旋翼飞行器设计一、引言四旋翼飞行器是近年来快速发展的一种无人机，它具有灵活、稳定、可控性强等特点，被广泛应用于各个领域，如农业、摄影、救援等。

本文将基于Arduino兼容的Stm32单片机设计一个四旋翼飞行器，包括硬件设计和主控程序编写，并对其进行测试和分析。

二、硬件设计1. 硬件平台选型我们选择Arduino兼容的Stm32单片机作为主控芯片。

Stm32系列单片机具有强大的性能和丰富的外设资源，能够满足四旋翼飞行器的实时控制要求。

2. 四旋翼结构设计我们采用X形结构的四旋翼设计，具有较好的稳定性和操控性。

每个旋翼由一个电动助力机构和一个螺旋桨组成，通过电机控制器控制电机的转速，从而控制飞行器的升降和姿态。

3. 传感器选择为了使飞行器能够感知环境和自身状态，我们选择了加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器。

加速度计用于测量飞行器的加速度和姿态角度，陀螺仪用于测量飞行器的角速度，磁力计用于测量地磁场信息，以辅助姿态控制。

4. 通信模块选型我们选择了无线通信模块，可以实现飞行器与地面控制站的数据传输和指令控制。

5. 电源设计为了保证飞行器的稳定供电，我们设计了电源管理模块，包括电池、稳压器和电源选择开关等，以提供所需的电压和电流。

三、主控程序编写1. 启动流程飞行器在上电后，首先要进行初始化操作，包括外设初始化、传感器校准和数据校验等。

接着进入主循环，不断读取传感器数据、执行控制算法、更新电机转速和发送数据等。

2. 姿态控制算法通过读取加速度计和陀螺仪的数据，可以得到飞行器的姿态信息。

我们采用PID控制算法来控制飞行器的姿态，即通过调节电机转速来调整飞行器的姿态角度，使其保持在设定值附近，提高飞行器的稳定性。

3. 飞行控制算法飞行器的飞行控制算法主要包括高度控制、位置控制和姿态控制。

通过读取高度传感器的数据，可以得到飞行器的高度信息。

我们采用模糊控制算法来调节电机转速，控制飞行器的高度和位置。

基于STM-32四轴飞行器参考电路设计

基于STM-32四轴飞行器参考电路设计
四轴飞行器是一种利用四个旋翼作为飞行引擎来进行空中飞行的飞行器。

进入20 世纪以来，电子技术飞速发展四轴飞行器开始走向小型化，并融入了
人工智能，使其发展趋于无人机，智能机器人。

四轴飞行器不但实现了直升机的垂直升降的飞行性能，同时也在一定程度上
降低了飞行器机械结构的设计难度。

四轴飞行器的平衡控制系统由各类惯性传
感器组成。

在制作过程中，对整体机身的中心、对称性以及电机性能要求较低，这也正是制作四轴飞行器的优势所在，而且相较于固定翼飞机，四轴也有着可
垂直起降，机动性好，易维护等优点。

系统方案
本设计采用STM32F4 作为核心处理器，该处理器内核架构ARM Cortex- M4，具有高性能、低成本、低功耗等特点。

设计总体框图
主控板包括传感器MPU6050 电路模块、无线蓝牙模块、电机启动模块，电
源管理模块等;遥控使用商品遥控及接收机。

控制芯片捕获接收机的PPM 命令
信号，传感器与控制芯片之间采用IIC 总线连接，MCU 与电调之间用PWM 传递控制信号。

MPU-6050 电路原理图
电源管理模块
四轴飞行器要求整体设计质量较轻，体积较小，因此在电池的选取方面，采
用体积小、质量轻、容量大的锂电池供电最合适。

系统的核心芯片为
STM32F103，常用工作电压为3.3V，同时惯性测量传感器，蓝牙通信模块的常。

基于STM32的四旋翼飞行控制系统毕业设计

目录1前言 (1)1.1背景与意义 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.3论文主要工作 (2)2总体方案设计 (3)2.1方案比较 (3)2.2方案论证与选择 (3)3飞行器原理与结构 (5)3.1飞行器原理 (5)3.2飞行器结构 (6)4单元模块设计 (8)4.1各单元模块功能介绍及电路设计 (8)4.1.1电源 (8)4.1.2 STM32F407最小系统 (9)4.1.3 下载电路 (11)4.1.4 飞控姿态模块 (11)4.1.5 无刷电机连接电路 (12)4.1.6 串口接口电路 (12)4.2特殊器件的介绍 (12)4.2.1 无线数传模块 (12)4.2.2 飞控姿态模块 (13)5软件设计 (16)5.1软件设计原理及设计所用工具 (16)5.2主要软件设计流程框图及说明 (17)5.2.1串口中断流程图 (17)5.2.2外部中断流程图 (18)5.2.3主程序流程图 (18)6系统调试 (20)6.1 通信系统 (20)6.2 姿态传感器调试 (21)6.2.1 传感器数据分析与处理 (21)6.2.2 姿态解算 (23)6.2.3 数据中断 (28)6.3 PID调试 (30)6.3.1 PID姿态控制 (30)6.3.2 飞控系统PID调试 (33)7系统功能、指标参数 (36)7.1系统能实现的功能 (36)7.2系统指标参数 (36)8结论 (38)8.1 回顾 (38)8.2 展望 (38)9总结与体会 (39)10谢辞 (40)11参考文献 (41)附录： (42)1.硬件电路图 (42)2.PCB图 (43)3.部分程序 (44)4.外文翻译 (46)1前言1.1背景与意义近年来得益于现代控制理论与电子控制技术的发展，四轴飞行器得到了广泛的关注，在民用与工业领域，具有广泛的应用前景。

甚至无人机在战争中得到广泛的应用。

当下无人机发展火热，其中以四旋翼飞行器的发展最为突出。

基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计

基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计四旋翼飞行器是一种由四个旋翼驱动的无人机。

它具有垂直起降和悬停的能力，能够在空中保持稳定飞行。

基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计需要考虑飞行器的姿态控制、飞行模式控制、传感器数据获取与处理等方面，同时还需要实现与地面站的通信和数据传输。

首先，飞行器的姿态控制是控制系统设计的核心。

通过采用传感器获取飞行器的姿态信息，如加速度计、陀螺仪和磁力计等，利用PID控制算法对飞行器进行姿态调整，使其保持平衡和稳定飞行。

STM32可以通过配置外设，如ADC和定时器，来获取传感器数据，同时使用GPIO口来控制电机的转速，实现四旋翼飞行器的姿态控制。

其次，飞行模式控制是四旋翼飞行器控制系统中的另一个重要方面。

飞行模式通常包括手动模式、自稳模式和定点悬停模式等。

在手动模式下，飞行器由遥控器控制飞行方向和速度。

在自稳模式下，飞行器利用姿态控制算法来保持平衡和稳定飞行。

在定点悬停模式下，飞行器根据传感器数据和定位信息，实现在空中固定位置悬停。

通过STM32的串口通信模块与遥控器通信，可以实现飞行模式的切换和控制。

另外，传感器数据获取与处理也是四旋翼飞行器控制系统设计的重要部分。

飞行器需要获取传感器数据，如高度、速度和位置等信息，并进行处理，以进行姿态控制和飞行模式控制。

STM32可以通过配置串口通信、I2C或SPI总线来获取和处理传感器数据，同时利用内部的计算和存储单元进行数据处理和算法运算。

最后，与地面站的通信和数据传输是四旋翼飞行器控制系统设计中的另一个重要方面。

地面站可以通过无线通信方式与飞行器进行通信，获取飞行器的状态信息和传感器数据，并发送飞行指令和控制信号。

通过配置STM32的无线通信模块，如WiFi或蓝牙模块，可以实现与地面站的通信和数据传输。

除了以上提到的关键设计方面，四旋翼飞行器控制系统设计还需要考虑电源管理、动力系统控制（电机控制）、GPS定位和导航等问题。