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1、目录1 前言1.1.1.1 背景与意义1.1.1.2 国内外研究现状1.1.1.3 论文主要工作2.2总体方案设计3.1.2.1 方案比较32.2 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8.1.4.1 各单元模块功能介绍及电路设计8.4.1.1 电源84.1.2 STM32F407最小系统9.4.1.3 下载电路1.1.4.1.4飞控姿态模块1.1.4.1.5无刷电机连接电路1.2.4.1.6串口接口电路1.2.4.2特殊器件的介绍1.1 2.1.2 .1无线数传模块1.2.4.2.2飞控姿态模块1.3.5软件设计1.1. .5.1 软件
2、设计原理及设计所用工具1.1.5.2 主要软件设计流程框图及说明1.1 71.2 .1串口中断流程图1.1. .5.2.2 外部中断流程图1.1. .5.2.3 主程序流程图1.8.6系统调试2.0.6.1通信系统2.0.6.2姿态传感器调试2.1.6.2.1传感器数据分析与处理2.16.2.2姿态解算2.3.6.2.3数据中断2.8.6.3PID调试3.0.6.3.1PID姿态控制3.0.6.3.2飞控系统PID调试3.37系统功能、指标参数3.1. .7.1 系统能实现的功能3.1. .7.2 系统指标参数3.6.8结论3.8.8.1 回顾3.8.8.2 展望3.8.9总结与体会3.9.1
3、0谢辞4.0.11参考文献4.1.附录：4.2.1. 硬件电路图4.2.2. PCB图4.3.3. 部分程序4.4.4. 外文翻译4.6.1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。四旋翼飞行器其具有以下特点：(1)体积小巧，可以工作在恶劣的，危害人类健康和生命的环境中，最大限度地减少人员伤亡，飞行器可以全天工作无需休息，工作效率高。(2)支持配备高端电子产品，多种外设相连接，如照相机、机械臂等，可以实现一些娱乐功能
4、。例如在高空电力线巡检中，无人机能在工作人员的操控下进行工作，可以代替人工对巡检对象实施接近检测，减少工人的劳动强度。也可以携带传感仪器、摄像机等，对巡检对象进行数据收集、分析与存储，这进一步提高巡检的工作效率和巡检精度。在军事上，在局部小规模对战的时候，一些普通的侦察机，可能受到敌方打击而造成不必要的机体人员伤亡，无人机则可以很好地起到替代作用。利用四旋翼飞行器作为侦察机，具有振动小、噪声小、可靠性高、成本低、反侦察能力强、自我销毁等优势。因此无人机的军事价值不可估量。四旋翼飞行器还有着更为广阔的前景等待着开发。比如可以通过为飞行器的添加更加智能的算法实现人机互动，让飞行器帮人取物件等。尽管
5、目前四旋翼飞行器已经在许多领域得到运用，但总体而言依旧处于初步发展阶段。1.2 国内外研究现状国际上比较知名的飞行器公司有中国大疆创新和美国的3DRobotics。作为全球无人机领域的领头羊，这两家公司在无人机技术发展速度可以用迅猛来形容。比如大疆公司最新的精灵4无人机，实物图如图1.1所示。图1.1精灵4实物图精灵4具有以下功能：1. 可感知前方障碍物并自动绕行。2. 通过视觉识别自动跟拍移动物体。3. 点击相机画面，即可向指点方向自主飞行。4. 智能返航，感知障碍物后可自动提升飞行高度。5. 最大飞行时间28分钟，最大可控距离约5公里。6. 最高速度提升至20m/s(72km/h)。7.
6、一体化云台设计，提升了飞行和影像的稳定性。8. 利用全新的视觉定位技术，可实现室内外精准定位。又比如：3DRobotics公司最新出品的PIXHAWK飞控，拥有出色飞行稳定性，搭载双传感器系统和冗余电源输入并且可以扩展两组GPS系统，确保飞行失误降到最低。这两家公司占领了全球大部分无人机市场，并且由于技术的高门槛和垄断，其他无人机公司已经被远远的甩在了后面。大部分的无人机公司的技术仅仅停留在稳定飞行、简单航拍和户外GPSSe位阶段。1.3论文主要工作无人机作为当今电子产业里一个冉冉升起的新星，具有广阔的市场和发展前景。作为当代大学生，不仅要顺应时代的潮流，更要有作为时代弄潮儿的信心与勇气。四旋
7、翼无人机涉及知识面很广泛，其中核心知识与本专业契合度相当高。比如，一颗功能强劲的微机芯片就可以打造一个功能完备的飞行控制系统。而这恰恰是微机原理和单片机的运用。主流无人机的控制系统离不开自动控制原理。并且目前无人机在电力行业的应用力度很大，综上，毕业设计选择了基于STM32ARM单片机的四旋翼飞控系统。受限于本人知识水平，本文解决以下问题：第一章节：四旋翼飞行器研究背景与意义，国内外发展现状。第二章节：就四旋翼飞行器方案讨论与选择，选择了基于STM32AR雌片机的四旋翼飞行控制系统。第三章节：简单叙述了飞行器飞行原理，以及机械结构。第四章节：飞行控制系统硬件设计，其中包括单片机最小系统，各类模
8、块接口等。第五章节：程序流程图，对程序流程进行简单说明。第六章节：飞行器控制系统设计，包括传感器数据进行分析和处理，DM腰态解算方式，配置中断实时更新当前飞行姿态数据。四旋翼飞行器的PID调试策略。第七章节：上位机与飞行器之间的通信系统，PID调试过程。2总体方案设计2.1 方案比较方案一：基于意大利开源硬件ArduinoNano作为数据处理，姿态结算的飞行控制系统。其飞行控制系统结构如图2.1所示。图2.1 Arduino 飞控系统结构图O方案二：采用意法半导体的 STM32F407VET6为飞行器的主控芯片其飞行控制系统结构如图2.2所示。I 调试 单元加速度计/陀螺仪模块稳压也源单元上位
9、机控制命令无线数据传输模块微控制器单元STM32F407VET6电了调 速器1电子调 速器2PM制接口* -43 迩养3f 电机1f iLltlL2UART模块 接IE行控制器LED?制单元I电子调7速器4图2.2基于STM32飞控系统结构图2.2 方案论证与选择方案一：ArduinoNano是基于Atmega328PAV弹片机的开源硬件，具有两个外部中断口，可以输出六路PWIMl,兼备IIC,UART,SPI通信功能，总的来说，其具有丰富的片上资源和优秀的性能。对它编程使用的是ArduinoC,这种C语言类似于标准C,但又针对Arduino系统做了大量的简化工作，提供了许多函数和库文件，但是
10、通用性不高。Arduino虽然是已开源的飞行控制系统，命令是依靠无线遥控器发出的，这会额外增加遥控器的费用。另外Arduino通信协议未知，这并不利于增添代码后的调试工作。方案二：意法半导体的STM32F407VET电CORTEX-M4核，属于32位ARM微控制器，常用的编程软件是KEIL和IAR,编程语言可以是汇编，标准C语言，C+将,使用灵活方便。友好的编译方式大大提高了代码的通用性和可移植性。STM32F407VET6M有卓越的性能，并不输于AVR的Atmega328P这里采用上位机传输命令给飞行控制系统，也简化了系统调试方式。最后考虑到资金、性价比和使用的难易程度选择方案二，基于STM32F407VET弹片机的飞行控制系统。
基于STM的四旋翼飞行控制系统毕业设计
