基于Arduino兼容的Stm32单片机的四旋翼飞行器设计

发布时间：2017-04-28 19:00

  本文关键词：基于Arduino兼容的Stm32单片机的四旋翼飞行器设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：四轴飞行器拥有四个旋翼,属于多旋翼直升机。四轴飞行器具有四个成对称分布的旋翼。它通过控制四个旋翼的旋转速度而非机械结构来实现各种飞行动作。四轴飞行器具有成本低、机体结构简单、没有机械结构、飞行稳定性好、重量轻、有利于小型化无人化等特点。因此可以应用在人无法到达的一些复杂环境之中。目前四旋翼飞行器等多旋翼飞行器已经在很多行业比如航空拍摄、遥感勘测、实时监控、军事侦察、喷洒农药中得到了广泛的应用,并已经形成了相关产业。四旋翼飞行器具有非线性控制、控制量多、飞行姿态控制过程复杂等特性。本课题基于实现四轴飞行器低成本小型化通用化的思路,通过研究剖析四旋翼飞行器飞行的原理,根据其数学模型和控制系统的功能要求,在MCU上实现了四旋翼飞行器的姿态数据的获取、飞行姿态解算以及飞行姿态控制。本课题硬件上采用stm32系列STM32F103C8T632位处理器作为主控制器负责分析处理数据,根据姿态运算结果,输出电机控制信号；主要使用惯性测量单元MPU-6050等传感器模块用于姿态信息的检测；采用场效应管驱动电路来驱动空心杯电机；蓝牙模块负责和上位机进行通信以实时采集飞行数据便于分析测试。整个软硬件系统均基于模块化设计的思想。各传感器采集飞行器的传感器数据都使用通用数字接口和MCU进行数据交换和通信。软件上,编写飞行姿态控制软件,在stm32单片机上实现了四元数法和卡尔曼滤波算法,解算出飞行器正确的姿态角,并使用PID控制进行姿态角的闭环控制,稳定飞行姿态。实验结果表明,本课题设计的四轴飞行器能够较好的自主达到稳定飞行状态,抗扰动能力强。飞行姿态控制算法完全实现了使四旋翼飞行器能在室内平稳飞行的控制要求。
【关键词】：四旋翼飞行器 姿态控制算法 STM32
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V275.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• Directory9-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 选题背景11-12
• 1.2 国内外研究现状12-13
• 1.2.1 国内四旋翼飞行器的研究现状12-13
• 1.2.2 国外四轴飞行器的研究现状13
• 1.3 四旋翼飞行器主要优点和技术难点13-14
• 1.3.1 四旋翼飞行器主要优点13-14
• 1.3.2 四轴飞行器的技术难点14
• 1.4 本文研究的主要内容14-15
• 1.5 本文结构安排15-16
• 第二章 四轴飞行器飞行原理、飞行姿态及滤波算法16-41
• 2.1 四轴飞行器的飞行原理16-20
• 2.2 四轴飞行器姿态的表示和运算20-25
• 2.2.1 坐标系统的建立20-22
• 2.2.2 四轴飞行器飞行姿态的表示和换算22-25
• 2.3 滤波算法以及修正融合25-40
• 2.3.1 卡尔曼滤波28-36
• 2.3.2 互补滤波算法36-40
• 2.4 本章小结40-41
• 第三章 四轴飞行器的软硬件系统架构41-55
• 3.1 硬件结构框图41-42
• 3.2 硬件电路设计42-52
• 3.2.1 电机及其驱动电路42-44
• 3.2.2 控制电路部分及传感器模块44-52
• 3.3 系统板实物图52-53
• 3.4 软件框图及思路53-54
• 3.5 本章小结54-55
• 第四章 飞行姿态控制算法实现55-75
• 4.1 软件初始化过程55-57
• 4.2 四元数法及其姿态解算的算法实现57-64
• 4.2.1 四元数运算及四元数转欧拉角算法流程58-60
• 4.2.2 四元数运算流程60-61
• 4.2.3 卡尔曼滤波的算法实现61-64
• 4.3 PID算法、参数整定及其控制64-70
• 4.3.1 PID算法的原理64-66
• 4.3.2 四轴飞行器的PID调节原理66-68
• 4.3.3 四轴飞行器PID参数的整定68-70
• 4.4 四轴飞行器平飞实测数据及分析70-74
• 4.4.1 加速度计数据波形及分析71-72
• 4.4.2 陀螺仪数据波形及分析72-73
• 4.4.3 卡尔曼滤波融合后实测波形73-74
• 4.5 本章小结74-75
• 第五章 总结与展望75-76
• 参考文献76-78
• 致谢78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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  本文关键词：基于Arduino兼容的Stm32单片机的四旋翼飞行器设计，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：333345