四旋翼飞行器设计
电子设计大赛四旋翼飞行器报告
选题编号：C题全国大学生电子设计竞赛设计报告选题名称：多旋翼自主飞行器主办单位：辽宁省教育厅比赛时间：2015年08月12日08时起2015年08月15日20时止摘要多旋翼飞行器也称为多旋翼直升机，是一种有多个螺旋桨的飞行器。
本设计实现基于ATMEGA328P和R5F100LEA的四旋翼飞行器。
本飞行器由飞行控制模块、导航模块、电源模块和航拍携物模块等四部分组成。
主控模块采用ATMEGA328P芯片，负责飞行姿态控制；导航模块以G13MCU为核心，由陀螺仪、声波测距等几部分构成，该模块经过瑞萨芯片处理采集的数据，用PID控制算法对数据进行处理，同时解算出相应电机需要的PWM增减量，及时调整电机，调整飞行姿态，使飞行器的飞行更加稳定；电源模块负责提供持续稳定电流；航拍携物模块由摄像头、电磁铁等构成，负责完成比赛相应动作。
飞行器测试稳定，实现了飞行器运动速度和转向的精准控制，能够完成航拍，触高报警，携物飞行，空中投递等动作要求。
关键词：四旋翼，PID控制，瑞萨目录摘要................................................................................................................................ i i1.题意分析 (1)2.系统方案 (1)2.1 飞行控制模块方案选择 (1)2.2 飞行数据处理方案选择 (1)2.3 电源模块方案选择 (2)2.4 总体方案描述 (2)3.设计与论证 (2)3.1 飞行控制方法 (2)3.2 PID控制算法 (3)3.3 建模参数计算 (3)3.4 建立坐标轴计算 (4)4.电路设计 (5)4.1 系统组成及原理框图 (5)4.2 系统电路图 (5)5.程序设计 (6)5.1 主程序思路图 (6)5.2 PID算法流程图 (7)5.3 系统软件 (7)6. 测试方案 (7)6.1 硬件测试 (7)6.2 软件仿真测试 (7)6.3 测试条件 (8)6.4 软硬件联调 (8)7.测试结果及分析 (8)7.1 测试结果 (8)7.2 结果分析 (9)8.参考文献 (9)1.题意分析设计并制作一架带航拍功能的多旋翼自主飞行器。
电子设计大赛四旋翼设计报告最终版
四旋翼飞行器〔A 题〕参赛队号：20140057号四旋翼飞行器设计摘要：四旋翼作为一种具有构造特殊的旋转翼无人飞行器，与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活的在各个方向进展机动，构造简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。
因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察、灾害现场监视与救援等。
多旋翼无人机飞行原理上比拟简单，但涉及的科技领域比拟广，从机体的优化设计、传感器算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。
四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。
它使用直接力矩，实现六自由度〔位置与姿态〕控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。
此外，由于飞行过程中，微型飞行器同时受到多种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，模型准确性和传感器精度也将对控制器性能产生影响，这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。
因此，研究既能准确控制飞行姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。
一、引言：1.1 题目理解：四旋翼飞行器，顾名思义，其四只旋转的翅膀为飞行的动力来源。
四只旋转翼是无刷电机，因此对于无刷电机的控制调速系统对飞行器的飞行性能起着决定性的作用。
在本次大赛中，需要利用四旋翼飞行器平台，实现四旋翼的起飞，悬停，姿态控制，以及四旋翼和地面之间的测距等功能。
以往做的核心板较大，所需的电路较多，考虑到四轴飞行器的轻便，故而不太是一个很理想的选择。
方案二：主控板使用STM32。
STM32板子的I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。
Stm32迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高。
综上所述，我们一致决定使用STM32 MMC10作为此次大学生电子竞赛的主控板。
2.2 飞行姿态的方案论证：方案一：十字飞行方式。
四轴的四个电机以十字的方式排列，*轴和y轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整，角度融合简单，适合初学者，能明确头尾，飞行时机体动作精准，飞控起来也容易。
小型四旋翼低空无人飞行器综合设计
3、传感器应用
传感器技术在小型四旋翼低空无人飞行器中扮演着重要的角色。通过使用多种 传感器，可以实现飞行器的定位、导航、控制等功能。为了保证数据的准确性 和可靠性，需要对传感器进行定期校准和维护。
实验结果与分析
通过仿真实验，本次演示提出的混合控制方法取得了显著的实验效果。在轨迹 跟踪实验中，飞行器能够快速准确地跟踪给定的轨迹，具有良好的动态性能和 稳定性。此外，通过与单一控制方法的对比实验，本次演示提出的混合控制方 法在跟踪精度和稳定性方面均表现出明显的优势。
结论与展望
本次演示针对四旋翼无人飞行器的非线性控制问题，提出了一种基于鲁棒控制 和滑模控制的混合控制方法。通过仿真实验验证了该方法的有效性。然而，仍 然存在一些不足之处，例如对飞行器的动态特性分析不够准确、控制系统的实 时性有待提高等。
设计思路
1、总体设计
小型四旋翼低空无人飞行器主要由机身、旋翼、遥控器等部分组成。机身采用 轻量化材料制成，以减小飞行器的重量，便于携带；旋翼则由四个电机驱动， 以实现飞行器的稳定飞行；遥控器则用于控制飞行器的飞行轨迹和高度。
2、硬件设计
硬件配置是小型四旋翼低空无人飞行器的核心部分，主要包括电池、传感器、 遥控设备等。电池选用高容量、轻量化的锂离子电池，以延长飞行器的续航时 间；传感器则采用GPS、加速度计、陀螺仪等，以实现飞行器的定位、导航和 控制；遥控设备则选用2.4GHz遥控器，以实现遥控设备的无线传输。
小型四旋翼低空无人飞行器综 合设计
01 引言
03 参考内容
目录
四旋翼飞行器PID控制器的设计
四旋翼飞行器PID控制器的设计引言：1.PID控制器原理：PID控制器是由比例、积分和微分三个控制基元组成的。
其中比例控制器根据偏差的大小调整控制量；积分控制器根据偏差的积累调整控制量；微分控制器根据偏差的变化率调整控制量。
PID控制器根据实际值和期望值的偏差以及偏差变化率和积累量来调整控制量，以达到稳定目标。
2.四旋翼飞行器PID控制器参数调整：PID控制器的性能取决于三个控制基元的参数调整。
参数调整不当会导致飞行器姿态不稳定，甚至发生震荡。
常用的参数调整方法包括手动调整和自适应调整。
手动调整需要通过观察飞行器的响应来调整参数，而自适应调整则是根据系统的动态特性自动调整参数。
3.四旋翼飞行器PID控制器设计步骤：（1）确定控制目标和输入变量：控制目标即所要控制的飞行器姿态或高度，输入变量即传感器测得的实际值。
（2）传感器数据处理：通过传感器获得飞行器姿态或高度相关的信息，并进行滤波和校正，以减小误差。
（3）误差计算：计算实际值与目标值之间的误差，作为PID控制器的输入。
（4）参数调整：根据实际情况选择手动或自适应调整方法，逐步调整PID控制器的参数。
（5）控制量计算：根据误差和PID控制器的参数计算控制量。
（6）控制执行：将控制量传输给四旋翼飞行器的执行机构，使其根据控制量进行相应的动作，以实现飞行器的稳定。
4.PID控制器应用拓展：PID控制器作为一种简单有效的控制方法，广泛应用于四旋翼飞行器以外的许多领域，如汽车、工业控制和机器人等。
在实际应用中，还可以根据具体需求进行改进和优化，比如引入模糊控制或自适应控制等。
结论：四旋翼飞行器PID控制器是实现飞行器姿态和高度控制的关键部件。
通过合适的参数调整和控制策略设计，可以实现飞行器的稳定飞行。
PID 控制器在实际应用中具有广泛的适用性和可拓展性，为飞行器控制提供了一种简单而有效的解决方案。
毕业设计四旋翼飞行器
毕业设计四旋翼飞行器毕业设计四旋翼飞行器近年来，随着科技的不断发展，四旋翼飞行器成为了一个备受关注的话题。
无论是在军事领域还是民用领域，四旋翼飞行器都展现出了巨大的潜力和广阔的应用前景。
作为毕业设计的选题，四旋翼飞行器无疑是一个令人兴奋的选择。
首先，让我们来了解一下四旋翼飞行器的基本原理。
四旋翼飞行器是一种通过四个对称排列的螺旋桨产生升力，从而实现飞行的无人机。
它的优点在于灵活性高、悬停能力强、机动性好等。
这些特点使得四旋翼飞行器在航拍、勘测、救援等领域有着广泛的应用。
在设计四旋翼飞行器时，我们需要考虑多个方面。
首先是结构设计。
四旋翼飞行器的结构设计涉及到机身、螺旋桨、电机等多个部分。
合理的结构设计能够提高飞行器的稳定性和操控性。
其次是控制系统设计。
四旋翼飞行器的控制系统包括飞行控制器、遥控器等。
优秀的控制系统设计能够提高飞行器的飞行性能和安全性。
最后是能源供应设计。
四旋翼飞行器通常使用电池作为能源供应，因此需要考虑电池容量、充电时间等因素，以确保飞行器的续航能力。
在毕业设计中，我们可以选择不同的方向来进行研究。
一方面，我们可以研究四旋翼飞行器的稳定性和控制性能。
通过对控制算法的优化和飞行器结构的改进，提高飞行器的稳定性和操控性，使其能够在不同环境下完成各种任务。
另一方面，我们可以研究四旋翼飞行器的应用领域。
通过对不同应用领域的需求和特点的分析，设计出适应性强、功能多样的四旋翼飞行器，开拓新的应用市场。
当然，在进行毕业设计的过程中，我们也会面临一些挑战。
首先是技术挑战。
四旋翼飞行器涉及到多个学科的知识，如机械设计、电子技术、控制理论等。
我们需要充分利用所学知识，结合实践经验，解决技术上的问题。
其次是资源挑战。
进行四旋翼飞行器的设计和制作需要一定的资金和设备支持。
我们需要合理安排资源，确保毕业设计的顺利进行。
然而，面对挑战，我们更应该看到四旋翼飞行器的巨大潜力。
四旋翼飞行器不仅可以应用于军事、航拍等领域，还可以用于环境监测、物流配送等领域。
四旋翼飞行器设计资料
四旋翼飞行器的设计查重98%四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置.通过调节电机转速来控制飞行的欠驱动系统;为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞行控制,对飞行控制系统进行了初步设计,并且以C8051F020单片机为计算控制单元,给出了飞行控制系统的硬件设计,研究了设计中的关键技术;由于采用贴片封装和低功耗的元器件,使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点;经过多次室内试验,该硬件设计性能可靠,能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求.一．微小型四旋翼飞行器的发展前景根据微小型四旋翼飞行器发展现状和相关高新技术发展趋势，预计它将有以下发展前景。
1 )随着相关研究进一步深入，预计在不久的将来小型四旋翼飞行器技术会逐步走向成熟与实用。
任务规划、飞行控制、无 G P S 导航、视觉和通信等子系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。
它未来的主要技术指标：任务半径 5 k m，飞行高度 1 0 0 m，续航时间 1 h ，有效载荷约 5 0 0 g ，完全能够填补目前国际上在该范围内侦察手段的空白。
2 )未来的微型四旋翼飞行器将完全能够达到美国国防预研局对 M A V基本技术指标的要求。
随着低雷诺数空气动力学研究的深入，以及纳米和 M E MS 技术的发展，四旋翼 M A V必然取得理论和工程上的突破。
它将是一种有 4个旋翼的可飞行传感器芯片，是一个集成多个子系统 ( 导航与控制、动力与能源、任务与通信等子系统) 的高度复杂ME M S系统；不但能够在空中悬停和向任意方向机动飞行，还能飞临、绕过甚至是穿过目标物体。
此外，它还将拥有良好的隐身功能和信息传输能力。
3 )微小型四旋翼飞行器的编队飞行与作战应在未来的战争中，微小型四旋翼飞行器的任务之一将是对敌方进行电子干扰并攻击其核心目标。
单个微小型飞行器的有效载荷量毕竟有限，难以有效地完成任务，而编队飞行与作战不仅可以极大地提高有效载荷量，还能够增强其突防能力。
四旋翼飞行器控制系统硬件电路设计
四旋翼飞行器控制系统硬件电路设计首先，在硬件电路设计中，关键是选择合适的传感器。
常用的传感器包括加速度计、陀螺仪和磁力计等。
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。
这些传感器需要与处理器进行接口连接，并能够提供准确的数据。
因此，在硬件电路设计中，需要选取高性能的传感器，同时设计稳定可靠的电路板。
其次，处理器是控制系统的核心。
处理器的选择应综合考虑性能、功耗和成本等因素。
常用的处理器有单片机和微处理器。
单片机适用于简单的控制任务，如姿态控制和飞行模式切换等。
而微处理器适用于复杂的控制任务，如路线规划和数据处理等。
在硬件电路设计中，处理器需要与传感器和电调进行接口连接，并能够高效地处理控制指令。
此外，处理器还需要具备足够的计算能力和存储空间，以便实现飞行控制算法和数据记录功能。
电调是控制电机转速的关键组件。
通常，四旋翼飞行器需要四个电调以控制四个电机的转速。
电调需要接收处理器发送的PWM信号，并将其转换为适当的电机转速。
在硬件电路设计中，电调需要具备快速响应的能力，并能够输出稳定的PWM信号。
此外，电调还需要有适当的保护机制，以避免过载和短路等故障。
最后，电机是驱动飞行器旋转的关键组件。
电机的选择应综合考虑功率和效率等因素。
常用的电机有无刷电机和有刷电机。
无刷电机具有高效率和长寿命等优点，因此在硬件电路设计中通常选择无刷电机。
电机需要与电调进行接口连接，并能够输出适当的推力。
此外，电机还需要具备足够的扭矩和转速范围，以应对不同的飞行任务。
总之，四旋翼飞行器控制系统硬件电路设计涉及多个组件的选择和接口设计等方面。
在设计过程中，需要综合考虑传感器、处理器、电调和电机等因素，以实现飞行器的控制能力和飞行稳定性。
四旋翼飞行器PID控制器的设计
四旋翼飞行器设计方案
四旋翼飞行器设计方案四旋翼飞行器设计方案一、项目背景为了满足近年来快递、悬停摄影、新闻采集等领域对于无人机需求的不断增加，我们设计了一款四旋翼飞行器。
该飞行器具有稳定、灵活、高效的特点，可广泛应用于各种领域。
二、设计要求1. 飞行器稳定性要求高，能够在不同天气和环境条件下稳定飞行2. 飞行器的机动性要好，能够完成各种复杂动作3. 飞行器具有自主导航、避障和悬停等功能4. 飞行器的载荷能力要较强，能够携带相机等设备进行悬停摄影和新闻采集5. 飞行器的续航能力要长，能够在一次充电之后持续飞行时间较长三、设计方案1. 结构设计：a. 飞行器采用四旋翼结构，旋翼通过电机、螺旋桨和转子连接器连接。
b. 飞行器机体由轻质材料制成，以减轻整体重量。
c. 飞行器具有折叠设计，方便携带和存放。
2. 稳定性设计：a. 飞行器配备三轴陀螺仪和加速度计，能够实时感知飞行姿态，保持平稳飞行。
b. 飞行器的旋翼具有可调节桨叶角度的功能，能够在飞行时根据需要调整旋翼的角度，提高飞行稳定性。
3. 机动性设计：a. 飞行器的旋翼速度可调节，能够实现前进、后退、上升、下降、转弯等各种动作。
b. 飞行器配备高精度数传遥控系统，能够精确控制飞行器的动作，保证飞行器的机动性。
4. 功能设计：a. 飞行器配备GPS导航系统，能够实现自主导航功能，能够根据预设的路径自动飞行。
b. 飞行器配备避障传感器，能够感知前方障碍物，自动避开，确保安全飞行。
c. 飞行器具有悬停功能，能够在空中静止悬停，保持稳定飞行。
5. 载荷能力设计：a. 飞行器结构坚固，能够承载相机等设备进行悬停摄影和新闻采集。
b. 飞行器具有电池可更换设计，能够根据需要调整电池数量，提高载荷能力。
6. 续航能力设计：a. 飞行器采用高效能源管理系统，能够在一次充电之后持续飞行时间较长。
b. 飞行器具有低能耗设计，能够减少能源消耗，延长飞行时间。
四、总结通过以上设计方案，我们设计出了一款稳定、灵活、高效的四旋翼飞行器。
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K60的四旋翼飞行器设计
为 系统 的稳压芯片 ， Ｌ Ｍｌ １ １ ７ 作为 系统 的３ ． ３ Ｖ 电源稳压芯片 ， 为Ｋ ６ ０ 系统提供 电源 电压 。 每个稳压 电源都 加了滤波 电路 ， 用 以增 强电源 的稳定性 ， 减小 由于 电源 波动可能对 电路产生的影响 。
２系统软件设计
话 一 十 五 酶 麟
ｉ ｌ 《
设 计 开 发
基于 Ｋ ６ ０ 的四旋翼飞行器设计
陈 焕 波 陈 国 昭 何 天 琦
（ 台州学院 物理与电子工程学院文介 绍 了一种四旋翼 飞行 器的设计方案， 该 系统采 用飞 思卡 尔公 司的Ｋ ６ ０ 系列单 片机作为控制核 心， 采 用ＭＰ ｕ６ Ｏ ５ Ｏ 模 块作 为检测 飞行 器姿 态的传 感器 ｑ 用Ｐ 【 ［ ） 算 法完成 对四轴 无刷 电机 的 转速控 制， 从 而 完成飞行 器升 降、 前进后 退、 左 右平移 的三轴 线性运 动， 并通过２ ． ４ Ｇ Ｊ － ￣ 线通 信模 块 实
随着越来越多 的四旋翼飞行器 资料在 网上公开， 可选配件 的种 类 越 来越 多 ， 性 能 越 来 越 好 以及 价格 的 逐 步 降 低 ， 使 四旋 翼 飞 行 器
的开 发难 度和成本都得到 了极大 的降低， 大大低于其它飞行器 ， 而 且它体积小 、 可垂直起 降、 操作 简单 ， 非常容易应用到生活工作 中的 方方 面面 ， 所 以现在越来越多的人涉足到这一领域 的研 发。 本文就 介绍了一款基于飞思卡尔Ｋ ６ ０ 系列单片机 的四旋翼飞行器的设计方 案， 其系统框 图如 图ｌ 所示 。
软件设计是本设计的一个难点 ， 尤其是Ｐ Ｉ Ｄ 控制算法 中的相关 参数需要花费大量的时间进行反复调整， 直到找到合适 的参数才可 以使飞行器保持 稳定 可靠的飞行。 控制器首先通过无线模块接收来 自遥控器 的飞行控制指令 ， 以确定当前的设定姿态数据 ， 然后控 制 器通过ＭＰ ｕ６ ｏ ５ ｏ ￣块获取当前 四旋翼飞行器 的实际姿态数据 ， 对两 者 求差值后 ， 将该差值放人Ｐ Ｉ Ｄ 控制算法 中进行计算得到控制输 出 量， 最后将控制输 出量转换成 四个 无刷电机的输出量 ， 从而改变无 刷电机 的旋转速度 ， 使 四个旋翼的受力 发生改变从而控 制四旋翼飞 行器 的飞行姿态 ， 飞行姿态的转变 又使 测得的飞行器实 际姿态数据 发生改变 ， 从而使其与设定姿态 的差值发生变化 ， 从而引起 另一 次 的调整控制 ， 如此循环往复 ， 最后使 四旋翼 飞行器 达到所需的飞行 姿态 。
四旋翼飞行器控制系统设计共3篇
四旋翼飞行器控制系统设计共3篇四旋翼飞行器控制系统设计1四旋翼飞行器控制系统设计目前，四旋翼飞行器正逐渐成为人们探索天空的利器，已被广泛应用于农林、测绘、消防、救援等领域。
四旋翼飞行器是一种类似于昆虫翅膀的结构，由四个电动机和相应的位置悬挂的旋翼组成的，可以在空中实现自主飞行和悬停。
为了使四旋翼飞行器具备更高的稳定性和控制能力，科研人员设计并实现了控制系统，使其能够在空中实现更高效的飞行。
四旋翼飞行器控制系统可分为硬件和软件两部分。
硬件包括传感器、执行机构和控制器等，用于捕获关键飞行信息并实时调节四个电动机的速度。
软件包括程序控制、控制策略和运算等，用于调节控制器各参数以确保四旋翼飞行器飞行安全并正常运转。
传感器是四旋翼飞行器控制系统中的重要组成部分。
传感器能够实时捕获机身姿态、制动和速度等信息，使四旋翼得以实现更高效的控制。
通常使用的传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计和GPS等。
陀螺仪和加速度计用于实时检测飞行器的姿态和制动变化，磁力计用于检测地球磁场方向，以确定飞行器的方向，GPS用于定位飞行器在三维空间中的位置信息。
控制系统执行机构是电动机和旋翼组。
电动机作为控制系统的主要执行机构，它的输出转速与飞行器的自身稳定性和空气动力学相关联。
旋翼组的作用是提供飞行器升力，同时也是控制方向的主要执行机构。
为了确保飞行器飞行的稳定性和响应速度，需要在操作时控制电动机的转速和旋翼的转角。
控制器是四旋翼飞行器控制系统的核心。
控制器是指一组能将传感器信息转化为速度控制信号的电路，以控制电动机输出速度，从而控制飞行器飞行方向、高度等参数。
控制器分为硬件控制器和软件控制器。
硬件控制器主要包括传感器、电动机和电路，用于接收和传递信号。
软件控制器是一组算法，用于控制飞行器的方向、高度和速度等关键参数，使飞行器能够保持稳定的飞行。
控制策略是四旋翼飞行器控制系统的核心。
控制策略包含PID控制、模型预测控制等多种模式。
PID控制模式是最常用的控制模式，可通过这种模式控制飞行器在离目标位置越来越近时减小输出控制。
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。
四旋翼自主飞行器概要
四旋翼自主飞行器设计报告林，张，翁（泉州师范学院物理与信息工程学院，福建泉州362000）摘要：设计四旋翼自主飞行器，使得飞行器自主的从一个指定的区域飞到另外的一个指定区域降落并停机。
四旋翼飞行器具有四个定螺距螺旋桨，可以通过协调各个旋翼的速度来控制飞行器的飞行姿态和飞行速度，而不需要繁杂的桨矩控制部件，而且也可以共享电池、控制电路板等，因此简化了结构，减轻了飞行器重量，可以减少能源消耗。
关键字：四旋翼飞行器；电机；电调一、系统方案1.1方案描述四轴飞行器是一个具有6个自由度和4个输入的欠驱动系统,具有不稳定和强耦合等特点,除了受自身机械结构和旋翼空气动力学影响外,也很容易受到外界的干扰。
无人机的姿态最终通过调节4个电机的转速进行调整,飞行控制系统通过各传感器获得无人机的姿态信息,经过一定的控制算法解算出4个电机的转速,通过I2C接口发送给电机调速器(简称电调),调整4个电机的转速,以实现对其姿态的控制。
姿态控制是整个飞行控制的基础,根据姿态控制子系统的数学模型[4],姿态控制系统需要检测的状态有:无人机在机体坐标系下3个轴向的角速度、角度和相对地面的高度。
飞控系统担负着传感器信息采集、控制算法解算及通信等各种任务,是整个无人机的核心,其主要功能有: (1)主控制器能快速获得各传感器的数据,并对数据进行处理; (2)传感器实时检测无人机的状态,包括姿态、位置、速度等信息; (3)主控制器能与PC机进行数据交换;(4)系统能进行无线数据传输。
根据四轴飞行器实际的飞行需求,飞行控制系统一般包含主控制器、各传感器模块,通信模块和电源模块等。
其中主控制器采集各传感器的信息,通过控制算法求解出4个电机的转速,通过I2C接口发送给电调;惯性测量单元检测无人机3个轴向的角速度和加速度;高度传感器检测无人机的高度;无线数传模块用于传送控制指令,也可以在调试时用于传输传感器数据;电源模块为各传感器和主控制器提供电源。
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计四旋翼飞行器是无人机中常见的一种飞行器类型，在军事、民用等领域有着广泛的应用。
而对于这种飞行器，飞行控制系统的研究与设计是其性能和稳定性的关键。
一、四旋翼飞行器的工作原理四旋翼飞行器是一种通过四个独立的旋翼进行飞行的飞行器。
它的工作原理是通过调节不同旋翼的转速和倾斜角度，控制飞行器的姿态和飞行方向。
通过这种方式，飞行器可以实现上下、前后、左右的飞行运动，并且可以在空中悬停。
二、四旋翼飞行器飞行控制系统基本组成四旋翼飞行器的飞行控制系统主要由传感器、控制算法和执行器三部分组成。
传感器用于获取飞行器的姿态和状态数据，控制算法用于根据传感器数据计算控制指令，执行器则用于执行控制指令，调节旋翼的转速和倾斜角度。
1. 传感器传感器是飞行控制系统的数据获取部分，主要用于获取飞行器的姿态、位置和运动状态等数据。
常见的传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计等。
陀螺仪用于测量飞行器的角速度，加速度计用于测量飞行器的加速度，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。
这些传感器可以提供给控制算法所需的姿态和状态数据，为飞行器的控制提供支持。
2. 控制算法控制算法是飞行控制系统的核心部分，它主要用于根据传感器数据计算控制指令，调节飞行器的姿态和飞行状态。
常见的控制算法包括PID控制、模糊控制、自适应控制等。
PID控制是一种经典的控制算法，它通过比例、积分和微分三部分组成，可以根据误差信号调节执行器输出，实现对飞行器的精确控制。
模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，可以处理复杂的非线性系统，对于四旋翼飞行器的控制具有一定的优势。
自适应控制是一种基于自适应参数的控制方法，可以根据飞行器的动态特性实时调节控制参数，适应不同的飞行环境和工况。
3. 执行器执行器是飞行控制系统的执行部分，主要用于控制飞行器的旋翼转速和倾斜角度，调节飞行器的姿态和飞行状态。
常见的执行器包括电动调速器、舵机等。
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摘要本设计采用瑞萨R5F100LEA单片机作为主控制器。
超声波传感器实时发送飞行高度数据给主控系统，主控制器通过判断、分析、处理产生控制信号进而控制各个电机，使其在不同的飞行高度具有不同的速度，保证了飞行器在某一高度范围内飞行；主控制器读取MPU6050陀螺仪的数据，通过对采集数据的分析，使飞行器做出相应的姿态调整，来保持飞行器能够平稳飞行；激光传感器能够对白色场地上的黑线进行识别，达到循迹的目的。
本设计通过对飞行控制系统的总体框架设计，实现了飞行控制系统的硬件设计和软件设计，并对设计中的关键技术问题进行了研究，最终实现了四旋翼飞行器的一键启动自主飞行控制。
关键词：R5F100LEA 传感器姿态控制四旋翼飞行器1. 四旋翼自主飞行器简介1.1 结构形式四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。
四旋翼飞行器的结构形式如图 1.1 所示。
图1.1 四旋翼飞行器结构形式1.2 工作原理传统直升机是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。
四旋翼飞行器与此不同，是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。
由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力部稳定，所以需要一种能够长期保稳定的控制方法。
四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。
但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。
图 1.2 四旋翼飞行器垂直和俯仰运动四旋翼飞行器结构形式如图所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。
与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。
四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。
基本运动状态分别是：垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、侧向运动。
在图1.2中,电机1和电机3作逆时针旋转,电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x 轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。
(1)垂直运动垂直运动相对来说比较容易。
在图中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。
当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。
保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。
(2)俯仰运动在图(b)中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2和电机4的转速保持不变。
为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。
由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转(方向如图所示)，同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
2. 系统方案2.1 系统结构框图本次设计主要由电源模块、传感器模块、主控制器模块、电机及电机驱动等模块组成。
电源采用3S锂铁电池组成11.1V可充电电池，其作用是为电机供电和作为稳压模块的输入，输出5V给主控板供电。
传感器主要由陀螺仪、激光传感器和超声波传感器组成，用来完成飞行姿态的调整和循迹功能。
采用瑞萨R5F100LEA单片机作为主控制器，电机采用飞控专用电机。
其系统结构图如图2.1所示。
图2.1 系统结构框图2.2 系统硬件框架方案设计2.2.1机架方案一：考虑到碳纤管强度大、质量轻等优点，适合做航模材料，所以选用碳纤管进行硬件框架加工，整体来看，还算轻盈，但是在调试过程中发现碳纤管只要经过轻微碰撞就会变形甚至破裂，在安装过程中碳纤维管不能局部承受较大的力，最为麻烦的是不能开孔上螺丝进行紧固，所以我们决定更换框架材料。
方案二：基于方案一的思路，我们拟采用木头作机架材料，可是我们测试到一根一米的方木头重量达到300克左右，即便使用轻木也在150克上下，木头制作的机架也容易变形。
方案三：在方案一与二的基础上，我们选择了正方形铝管，规格大小外方尺寸为12mm*12mm，厚度为1mm。
虽然每根铝管的重量达到碳纤维管的2倍，都是其打孔较为方便，便于安装，而且铝管的重量也在飞行器承受范围之内。
综合考虑飞行器的重量、尺寸、能耗，我们最终采用方案三。
2.2.2系统软件方案设计方案一：采用在飞行器四个角各固定一个超声波传感器进行垂直测距，如果超声波传感器接收到信号时间相同，则飞行器能保持姿态平衡，经多次试验，发现飞行器漂移厉害最终放弃此方案。
方案二：经过查找资料，发现采用MPU6050陀螺仪代替方案一中的超声波传感器能解决飞行器的平衡问题。
3. 设计方法与论证3.1 PID算法PID控制是一种常见的反馈回路控制方法，它不同于其他控制方法，是因为他可以根据历史的数据和差别率来调整输入值，这样才能提高系统的鲁棒性。
(1)比例环节e t；偏差一旦产生，控制器立即产生调节及时成比例的反映控制系统的偏差信号()作用，以减少偏差。
(2) 积分环节主要用于消除静差提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数i T ，i T 越大，积分作用越弱，反之则越强。
(3) 微分环节能够反映偏差信号的变化趋势，即偏差信号的变化速率，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
PID 控制器的控制算法为： 01(t)[e (t)dt T ]t t p t d i de u K e T dt=++⎰ (3-1) 式中t u 是PID 控制器的输出，e t 是PID 控制器的输入，p K 是比例系数，i T 是积分时间常数，d T 是微分时间常数。
图3.1 PID 调节子程序流图PID 调节子程序的流程图如图3.1所示。
当进入PID 调节子程序时，首先需要根据系统给定值和采样值来计算偏差。
为了防止在系统运行初期，由于控制量()u k 过大使得开关管占空比D 过大，需要对代入式(3-1)运算的()e k 做一定的限幅处理。
因为瞬间过大的占空比有时候可能会引起过大的电流，从而导致开关管的损坏。
另外，在系统进入稳态后，将会输出一个微小的控制量，此时输出的控制值在一个很小的范围内，不断改变自己的方向，频繁动作，发生振颤，这样不利于正在充电的蓄电池。
因此，当控制过程进入这种状态时，就进入系统设定的一个输出允许带0e ，即当采集到的偏差0()e k e 时，不改变控制量，使充放电过程能够稳定的进行。
控制算法的核心是对陀螺仪输出角速度做PI 计算，比例(P )的作用就是使四旋翼能够产生对于外界干扰的抵抗力矩，I 的作用就是让四旋翼飞行器产生一个与角度成正比的抵抗力。
如果只采用P 控制，四旋翼飞行器能够产生抵抗外界干扰力矩的作用，能够较快克服扰动影响，只要手妄图改变四旋翼的转速，四旋翼就会产生一个抵抗力矩，但是如果飞行器飞行过程中受到风的干扰倾斜了一个角度，则四旋翼飞行器无法自己回到水平位置，这就需要I 的调节作用。
对角速度做积分(I )控制可获得四旋翼飞行器倾斜的角度，那么飞行器就会自我调整，直到倾角为零，它所产生的抵抗力是与这个倾角成正比的。
但是，如果只有I 的作用，四旋翼飞行器将会产生震荡。
因此，PI 控制可使四旋翼飞行器在稳定后无稳定误差。
当四旋翼飞行器处于悬停核准稳态飞行时，可以把四旋翼飞行器这一非线性系统近似为线性系统，这样，在控制飞行器稳定飞行时就可以把四旋翼飞行器的姿态稳定分为三个独立通道（偏航、俯仰、横滚）分别控制。
在实际系统中，控制对象是无刷电机和螺旋桨。
螺旋桨的转动产生力、力矩和扭矩，作用于四旋翼飞行器，就得到陀螺仪输出的各姿态角角速率，对角速率积分就得到各姿态角。
4. 电路与程序设计本系统主要由主控模块、传感器模块、电调、电源模块和电机组成，下面分别论证这几个模块。
4.1主控模块主控部分采用瑞萨的RL78/G13单片机，它有如下特点：图4.1 瑞萨的RL78/G13单片机(1)最短指令执行时间可在高速和超低速之间更改；(2)通用寄存器：8bit*32个寄存器；(3)ROM:16至512K；RAM:2至32K；数据闪存：-/4/8KB；(4)内置高速片上振荡器时钟；(5)内置单电源闪存（具有禁止块擦除/写入功能）；(6)支持自编程功能（具有引导交换功能/flash屏蔽窗口功能）；(7)On-chip调试功能；(8)内置上电复位（POR）电路和电压检测电路（LVD）；(9)内置看门狗定时器（可在专用低速片上振荡时钟下运行）；(10)内置乘除法器和乘加器；(11)内置中断按键功能；(12)内置时钟输出/蜂鸣器输出控制电路；(13)内置十进制调整（BCD）电路；(14)输入/输出端口：16至120；(15)定时器；(16)串行接口；(17)不同电位接口：可以连接1.8/2.5/3v运行的器件；(18)8/10位的分辨率A/D 转换器(DD V = E DD V =1.6至5.5V)：6至26通道；(19)待机功能：HALT,STOP,SNOOZE 模式；(20)电源电压：DD V =1.6至5.5V ；(21)运行环境温度：A T =-40至85摄氏度；4.2传感器模块4.2.1激光传感器由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点，所以激光在检测领域中的应用十分广泛,技术含量十分丰富,对社会生产和生活的影响也十分明显。
激光传感器工作时,先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。
经目标反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。
雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器,因此它能检测极其微弱的光信号，记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间,即可测定目标距离。
激光传感器因为光速太快，必须极其精确地测定传输时间。
利用激光传输时间来测量距离的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。