基于STM32的四轴飞行器研究与设计

发布时间：2020-11-22 08:51

　　 四轴飞行器作为近年来科技发展的重要产物,已经受到了科研爱好者和商业公司的广泛关注。虽然国内外已有许多成熟的四轴飞行器产品,但是对于操作者而言,控制飞行器并不是一件十分容易的事,因此对于四轴飞行器的结构和控制算法的改进及优化仍是目前研究的重点。本文的研究内容和主要方法如下:1.研究了四轴飞行器结构特点。提出了一种可裁剪的嵌入式硬件结构,阐明了各硬件模块的特点和优劣性。根据不同环境自由选用合适的传感器模块,拓展了四轴飞行器的应用面。2.研究了STM32微控制器资源。根据其定时器的特点设计出了针对于四轴飞行器的任务分配机制,同时实现了微控制器的输入输出信号的捕获和比较,为四轴飞行器遥控信号的监测和电机控制信号的输出奠定了基础。3.研究并实现了四轴飞行器姿态解算和控制算法。该算法使用四元数法求取姿态角,考虑到求得姿态角中存在的误差,本文提出了一种基于传感器数据融合消除姿态角误差的方法,提高了姿态角解算的精确性。4.研究并实现了四轴飞行器高度控制和位置控制算法。每种控制算法都设计了2种实现方案,由相应的传感器完成高度或位置数据的监测,可根据实际环境自由选择控制模式。5.研究了PID控制算法。为了进一步提高控制精度,本文提出了使用串级PID算法对飞行器的电机进行控制,以外环控制器的输出作为内环控制器的期望值,大大提高了四轴飞行器飞行过程中的稳定性。6.设计了四轴飞行器与地面站之间的通信协议并对控制算法进行实验。实验中分别对四轴飞行器的姿态、高度和位置控制的情况进行了观测和分析。通过通信协议传回地面站的数据可以发现,本文使用的四轴飞行器控制算法应用场景广泛,并且具有较高的稳定性和鲁棒性。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V249.1
【部分图文】：

图 3- 2 飞控板 PCB 设计图Fig. 3- 2 Flight control board PCB design3.2 微控制器四轴飞行器的微控制器采用STM32F407，STM32F407属于CortexM4内核，具有低门电路数，低中断延迟和低成本调试等特点，其基本电路和引脚定义如图3-3 所示。将 STM32F407 作为四轴飞行器的微控制器，是因为其具有以下优势：（1）运行速度快：STM32F407 最高运行频率可以达 168MHZ，尤其适用于浮数据的运算和处理，拥有自适应实时加速器 ART；（2）资源丰富：STM32F407 支持 CompactFlash、SRAM、PSRAM、NOR 和 NAN存储器，拥有高达 1MB 的 Flash 和 192KB 的 SRAM，具备灵活的静态存储控

图 3- 3 STM32F407 基本电路和引脚定义Fig. 3- 3 STM32F407 basic circuit and pin definition 驱动模块轴飞行器的驱动模块由电子调速器，无刷电机和螺旋桨组成[8]。电飞控板输出的调速信号控制电机带动螺旋桨转动，产生飞行所需要成飞行器的动力系统。.3.1 电子调速器子调速器简称电调，针对不同电机可分为有刷电调和无刷电调，本调，其一端连接飞控板用于接收 PWM 调速信号，另一端连接电机统输出的 PWM 信号调节电机的转速。电子调速器实物图如图 3-

图 3- 4 电子调速器实物图Fig. 3- 4 Physical map of electronic speed control电机叫交流电机，采用变频调速法，虽然调速结构复率高等优点。同时，与有刷电机相比，相同体积，可提供更强力的飞行动力。无刷电机内部有三号进行变频调速，改变各桨叶的升力与反扭矩，
【参考文献】

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3 潘银松;刘天刚;马泽忠;刘智华;;基于MS5611的小型无人机高度检测系统设计[J];电子测量技术;2015年07期

4 吴文豪;张建国;高磊;魏诺;庞庆;;基于ARM和Linux的路径记忆循迹小车[J];单片机与嵌入式系统应用;2015年06期

5 关越魏;何波贤;于仁清;丁广威;;基于四元数解算陀螺仪姿态角算法的实现[J];电脑编程技巧与维护;2015年09期

6 喻文倩;;基于US-100超声波测距仪设计[J];山东工业技术;2015年04期

7 常国权;戴国强;;基于STM32的四轴飞行器飞控系统设计[J];单片机与嵌入式系统应用;2015年02期

8 陆伟男;蔡启仲;李刚;郑力;;基于四轴飞行器的双闭环PID控制[J];科学技术与工程;2014年33期

9 张英平;苏艳;张朝阳;;基于52单片机智能小车超车系统的设计[J];廊坊师范学院学报(自然科学版);2014年03期

10 杨志永;毕德学;李林娜;;四旋翼直升机爬升速度检测方法与实验研究[J];计算机测量与控制;2014年05期

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2 余聪;基于块匹配的光流计算方法研究[D];南昌航空大学;2014年

本文编号：2894440