基于STM32微型四旋翼飞行器设计与实现

王磊

摘 要：文章主要研究基于STM32微型四旋翼飞行器的设计与实现，微型四旋翼飞行器具有小巧，灵活且造价比较低的特点，并且以STM32芯片为核心。整个飞行器的设计包括蓝牙通信模块，传感器检测模块，控制器控制模块，驱动模块、电机执行模块以及电源模块。微型四旋翼飞行器的控制算法采用的是PID算法。PID控制算法是工业自动控制系统的基本控制方式。通过以上控制算法调整，可以实现微型四旋翼飞行器的平稳飞行。

关键词：微型四旋翼飞行器；控制器；控制算法PID

中图分类号：TN967.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）24-0113-02

1 绪论

1.1 研究背景及意义

四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机，是由4个螺旋桨构成，4个螺旋桨呈十字形交叉分布。四旋翼飞行器采用垂直起降，大大降低了起飞和降落所需要的空间，具有非常好的飞行稳定性，缺点是飞行速度不快。所以大量运用于民间拍摄，森林火灾的巡线以及电缆线路的检修等等。本文研究微型四旋翼飞行器，能更大的节省四旋翼飞行器的造价，使它更便捷的服务社会。

1.2 本文主要研究内容

对于微型四旋翼飞行器的设计与实现问题，本文研究的主要内容如下：

第一章为绪论，介绍四旋翼飞行器的研究背景及意义。

第二章为微型四旋翼飞行器动力学模型的建立，简单介绍坐标系的转换。

第三章为微型四旋翼飞行器的硬件的选用，选用的基本硬件及其型号。

第四章为总结与展望，总结本文的基本内容以及不足和对未来的研究重点。

2 微型四旋翼飞行器动力学模型的建立

2.1 飞行原理介绍

微型四旋翼飞行器由四个电机构成。每一个电机上各带一个螺旋桨。相对方向的两个螺旋桨作为一组对桨。两组对桨的旋转方向相反。微型四旋翼飞行器是属于欠驱动系统（Underactuated System），并且具有高度耦合的动态特性。如果飞行器一个螺旋桨转速发生改变的情况下，将会产生至少3个自由度方向上的运动。

在图1（a）中，两对螺旋桨转向相反。当4个电机转速相同时，由低到高速度逐渐提升时。两个螺旋桨的升力也升高，直到升力达到一定的值，这个值足以克服飞行器整体重量时，微型四旋翼飞行器便开始垂直上升；相反，如果4个电机转速下降时，微型四旋翼飞行器便开始下降，然后落地。当两个螺旋桨产生的升力正好等于无人机（UAV）本身的重量时，此时，这个飞行器处于悬停状态。

在图1（b）中，保持电机1和3转速不变，增加电机2的转速，降低电机4的转速，此时，因为螺旋桨2的升力上升，螺旋桨4升力下降，产生不平衡力矩，这个不平衡力矩使得飞行器绕机身的Y轴旋转；当降低速度电機2，增加速度电机4，飞行器则绕机身Y轴向另一方向旋转，这就是飞行器的俯仰姿态控制。

在图1（c）中，当保持电机2和4的转速不变，仅仅改变电机1和3的转速时，则可使飞行器绕机身X轴转动，实现飞行器的滚动姿态控制。

在图1（d）中，当增加电机1和3转速，降低电机2和4转速时，当对桨（1，3）对机身的反扭矩大于对桨（2，4）对机身的反扭矩时，飞行器便在这种扭矩差的作用下绕机身Z轴旋转，实现飞行器的偏航控制[1]。

2.2 参考系的建立与转换

置身于空间中的飞行器有俯仰、滚转、偏航、垂直、横向运动这六个自由度的运动，要研究机体运动规律建立模型，不仅需要确认机体每一时刻的空间坐标位置，还要描述机体自身的机械运动[2]。

（1）地面坐标系

地面坐标系，也称地轴系即OnXnYnZn。坐标原点预选为地面上的飞行器的起飞点。X轴指向正北；Y轴指向正东；Z轴的方向由右手法则确定，确定出Z轴方向为垂直于X轴与Y轴确定的平面指向地心。由此可知，地轴系也可称为“北-东-地”。

（2）机体坐标系

机体坐标系，即ObXbYbZb。该坐标系与飞行器固连。坐标系原点位于质心；X轴方向指向飞行器的机头方向；Y轴垂直于飞行器X轴方向指向机身右侧；Z由右手法则确定，Z轴方向确定为垂直于X轴与Y轴所确定的平面指向地面。

飞行器的姿态角包括三个欧拉角，即俯仰角θ、滚转角Φ、偏航角Ψ，定义如下：

俯仰角θ：定义为机体系与地平面的夹角。

滚转角Φ：定义为机体系Zb轴与机体系Xb轴所确定平面的的夹角。

偏航角Ψ：定义为机体系Xb轴投影在地平面上时，Xb投影线与地轴系Xn轴的夹角。

当地面坐标系与机体系坐标系原点重合时，地轴系Zn轴转动Ψ角度的转换矩阵为：

再绕Y轴转动θ角度的转换矩阵为：

再绕Y轴转动θ角度的转换矩阵为：

最后绕X轴转动Φ角度可得：

以上矩阵都具有正交性，具有可逆性。

3 微型四旋翼飞行器的硬件选用

3.1 控制系统的总体设计

（1）控制器控制模块。主要功能是处理反馈的信号，与目标值进行比较得出误差值，然后采取相应的控制方法，发出控制信号调理电机速度。设计中采用STM32F103C8T6处理器，它是时钟为56MHz时为1μs（时钟为72MHz为1.17μs）。满足系统的要求。

（2）驱动模块。采用SOT-23封装的MOSFET，对驱动电压进行脉宽调制（PWM）。PWM按一定的规则，调制各脉冲的宽度，从而达到改变输出电压的大小和输出频率。

（3）传感器检测模块。采用MPU6050的陀螺仪和加速度计测量俯仰角（Pitch）和滚转角（Roll）de 稳定。采用HMC5883L磁强计测量，可以测量偏航角的稳定（Yaw）。采用GPS模块，测量位置的稳定。采用MS5611气压传感器辅助GPS定位。endprint

（4）执行模块。执行模块为飞行器，其中主要的执行器件为空心杯电机，其微型电机型号为6*12MM驱动空心杯电机。

3.2 控制算法PID

在工业控制系统中，其一般控制规律为

总体来说，PID控制器的各个环节作用有这三个方面：

（1）比例环节（P）：反映了控制系统的信号e成比例的变化，如果存在误差，误差会成比例的变化，反映误差，比例控制不能消除誤差[5]。

（2）积分环节（I）：积分的作用主要是通过积分的作用通过对上下震荡的误差来减小误差，积分作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，可以减小震荡[5]。

（3）微分环节（D）：主要作用是提前给信号一个预判，预先处理信号，加快动态响应速度，减少系统的调整时间，使控制系统的稳定性提高[5]。

4 结束语

通过这次微型四旋翼飞行器的设计，我学到了很多东西。首先介绍了本文的研究背景及意义，然后再介绍飞行的原理以及动力模型的坐标变换等，最后是硬件搭建。本文只是粗浅的介绍些微型四旋翼飞行器的基本构成，不够深入，还很欠缺。希望今后能在模糊控制和鲁棒控制上多多学习研究。中国的无人机已经发展到相当快的地步，如深圳市大疆创新科技有限公司做出许多无人机，差不多占据全球小型无人机约50%的市场份额。而中国倾转旋翼飞行技术也在逐步发展，如国产的“蓝鲸“四倾转旋翼机。

参考文献：

[1]魏丽文.四旋翼飞行器控制系统设计[D].哈尔滨工业大学，2010.

[2]赵金亮.微型四旋翼飞行器控制方法研究及控制器设计[D].辽宁工业大学.

[3]江哲.基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现[D].华东理工大学，2015.

[4]齐书浩.微型四旋翼飞行器的总体设计及其运动控制[D].上海交通大学，2013.

[5]于海生.计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2007：101-117.

[6]王伟，马浩，孙长银.四旋翼飞行器姿态控制系统设计[J].科学技术与工程，2013，19（7）：5513-5518.

[7]郭凯.基于STM32单片机的四轴飞行器设计[D].安徽理工大学，2016.

[8]许云清.四旋翼飞行器飞行控制研究[D].厦门大学，2014.endprint