四轴飞行器设计概述

硬件及控制算法
平衡自稳控制算法
PID控制器原理框图
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硬件及控制算法
在实际使用中，以X轴平衡为例，使用到了两套PID算法， 对陀螺仪的数据进行PD运算，可使飞行器在某一范围内稳 定或者很缓慢的偏移，并且可以抗大的扰动，此为飞行器 平衡算法。但单独依靠此算法飞行器无法自动回到零点， 这就需要对飞行器的实时角度进行PI运算或PID运算，当飞 行器发现与零点有偏差，PI运算立刻起作用，修正飞行器 角度，此为飞行器自稳算法。
四轴飞行器设计概述
褚凯
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09电子信息工程01
一、四轴简介及其发展前景 二、系统组成 三、硬件及控制算法 四、后续研究
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四轴简介及其发展前景
什么是四轴飞行器？
四轴飞行器是微型飞行器的其中一种，也是一 种智能机器人。其构造特点是在它的四个角上 各装有一旋翼，由电机分别带动，叶片可以正 转，也可以反转。为了保持飞行器的稳定飞行， 在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3 轴 加速度传感器组成惯性导航模块，通过电子调 控器来保证其快速飞行。
模块外部引脚（PIO11）输入电平，
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可以实现模块工作状态的动态转换。
硬件及控制算法
蓝牙串口模块驱动电路
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硬件及控制算法
第一版飞控
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硬件及控制算法
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硬件及控制算法
第二版飞控
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硬件及控制算法
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硬件及控制算法
滤波融合算法
1.滑动窗口滤波法
把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定 为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来 队首的一次数据(先进先出原则)，把队列中的N个数 据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。
2.一阶滞后滤波法
取a=0到1，本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上 次滤波结果。
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硬件及控制算法
滤波效果
N=20 A=0.3
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硬件及控制算法
N=35 A=0.2
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硬件及控制算法
N=50 A=0.1
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硬件及控制算法
融合算法
加速度计是用来检测加速度的，实际使用中测量角度是利用静态时只 存在重力加速度，再使用反正弦求出角度。而在运动的物体上时，物 体运动时会产生与运动方向相同的一个加速度分量，该加速度分量会 叠加在重力加速度上，使角度测量产生很大偏差。
主要硬件模块：
从设计初期到最终完成设计一共设计并投板2版PCB。 其中第一版主要包含电源供应电路、4路电机驱动接口、 STM32最小系统电路、SWD下载调试接口、启动方式选择 接口、NRF24L01无线模块接口、一个串口接口、三轴加速 度计三轴陀螺仪MPU6050驱动电路、地磁仪HMC5883驱动 电路以及OLED液晶模块显示接口。 第二版主要包含电源供应电路、8路电机驱动接口、STM32 最小系统、JLINK下载调试接口、启动方式选择接口、 NRF24L01无线模块接口、蓝牙串口模块驱动电路、2个串 口接口、三轴加速度计三轴陀螺仪MPU6050驱动电路、地 磁仪HMC5883驱动电路、气压计BMP180驱动电路、OLED 液晶模块显示接口、GPS导航模块接口、蜂鸣器电路以及 电压监测电路，并将其余几乎所有闲置IO口引出，方便后 期功能升级扩展。
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四轴简介及其发展前景
如何运动？
“+”型飞行模式
“X”型飞行模式
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四轴简介及其发展前景
其发展前景如何？
四轴飞行器可搭载GPS、北斗导航系统、高清摄 像头、各种科研设备甚至武器系统，民用型的飞 行器可执行灾情调查救援任务如水灾、火灾、地 震等；喷洒农田、林区农药；监测化工厂等危险 场所的危险气体的浓度；巡查输油管线、输电线 路；连续监控重要的设施；区域性空－地、空－ 海通讯中继等。军用的飞行器可执行高空定点侦 查，情报搜寻以及武装攻击等高风险任务。
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系统组成
四大部分： 机械结构 无刷电机驱动 飞控电路板 飞控算法
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系统组成
飞行控制电路板
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系统组成
姿态检测模块（AHRS） 1.三轴加速度计 2.三轴陀螺仪 3.三轴地磁仪 4.气压计
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系统组成
飞控算法 1.滤波融合算法 2.平衡控制算法 3.自稳控制算法 4.飞行控制算法
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硬件及控制算法
集成度、带有IIC数字接口的弱
磁传感器芯片。它内含有最先
进的高分辨率磁阻传感器，并
附带霍尼韦尔专利的集成电路
（包括有放大器、自动消磁驱
动器和偏差校准等），具有12
位模数转换器能使罗盘精度控
制在1°~2°之间，测量范围从毫
高斯到8高斯(gauss)。
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硬件及控制算法
HMC5883驱动电路
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硬件及控制算法
硬件及控制算法
主控芯片
使 用 STM32F103 系 列 芯 片 ， 型 号 为
STM32F103VET6，该芯片为增强型32位
基 于 ARM 核 心 Cotex-M3 的 微 控 制 器 ， 自
带512K字节闪存，高达64K字节SRAM。
最高支持72M工作频率，3个12位AD转换
器（多达21个转换通道），转换时间最低
MPU-6050的角速度全格感测范围
为±250、±500、±1000与
±2000°/sec (dps)，可准确追踪快
速与慢速动作，并且，用户可程
式控制的加速器全格感测范围为
±2g、±4g、±8g与±16g。
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硬件及控制算法
MPU6050驱动电路
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硬件及控制算法
HMC5883
HMC5883是一种表面贴装的高
达到1us，并包含2通道12位DA转换器。
12 通 道 DMA 控 制 器 ， 多 达 11 个 定 时 器 和
13个通信接口Байду номын сангаас
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硬件及控制算法
最小系统
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硬件及控制算法
下载与启动方式选择电路
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硬件及控制算法
电源供应电路
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硬件及控制算法
滤波电路
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硬件及控制算法
MPU6050
MPU-6050为全球首例整合性6轴 运动处理组件，免除了组合陀螺 仪与加速器时之轴间差的问题， 减少了大量的包装空间。
陀螺仪用来检测当前轴的角速度，可以很好的抗震动和干扰，对陀螺 仪一段微小时间内的角速度进行积分，积分后的结果就为此段时间该 轴旋转的角度。而众所周知，积分会产生累计误差，当累计误差达到 一定大小，会对系统造成很大影响，使整个系统稳定性降低。
互相补偿融合 30
硬件及控制算法
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硬件及控制算法
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HC-05
HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块具有
两种工作模式：命令响应工作模式
和自动连接工作模式，在自动连接
工作模式下模块又可分为主从和回
环三种工作角色。当模块处于自动
连接工作模式时，将自动根据事先
设定的方式连接的数据传输；当模
块处于命令响应工作模式时能执行 所有AT命令，用户可为模块设定控
制参数或发布控制命令。通过控制