基于STM32的微型四旋翼无人机控制系统设计-软件设计

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毕业设计(论文)开题报告

题目：基于STM32的微型四旋翼无人机控制系统设计—软件设计

院（系）电子信息工程学院专业电气工程及其自动化班级姓名学号导师

2023年3月9日

1.毕业设计（论文）综述（题目背景、国内外相关研究状况及研究意义）1.1题目背景

微型无人机飞行器（MUAV，MircoUnmannedAerialVehicle）是一种内置控制系统，可以远程操控实现自主飞行的设备。其类型包括固定翼微型飞行器、仿生扑翼微型飞行器及旋翼式微型飞行器。由于它具有隐蔽性强，低成本、低损耗、零伤亡、高机动性等优点，使其迅速从戎事领域拓宽到农业、民用和科研等领域。在军事领域，由于具有零伤亡，战场生存能力强等特点，十分适合执行高危险和人类无法参与的任务。在民用上，他也可以代替载人机完成一些任务，譬如救援探寻，灾情勘探，气象监测等。

MUAV飞行性能主要包括，起飞着陆性能，神态变换性能。而这些性能的优劣取决于核心部件--飞行控制系统。随着数字处理器处理速度和能力的不断提高，设计先进的控制系统已经是大势所趋。先进的飞行控制系统使微型无人机能在没有外界干预的状况下自主飞行，完成预先规定的任务。由于微型无人机身有限的负载能力和体积限制，现在的一些导航系统和飞行控制系统很难直接在微型无人机上使用，所以对微型无人机的飞行控制系统的研究意义重大！1.2国内外相关研究状况

国外对于四旋翼的研究十分的活跃，加拿大的雷克海德大学里面的相关研究人员很早就证明白采用四旋翼设计思路能够实现飞行器的稳定飞行，澳大利亚的卧龙岗大学相关研究人员已经对四旋翼有了确切的模型建立。各国研究人员也以此引发了一个四旋翼的研究热潮。下面对部分研究机构所设计的四旋翼做一个介绍

1）MicrodronesMD4-1000四旋翼无人飞行

MD4-1000四旋翼无人机是由德国MICRODRONES公司生产，可垂直起降自动驾驶。机体云台都是采用特别的碳纤维材料，机身重量轻、强度高，机臂可折叠，便利运输。神态、高度以及航向参考系统集成了加速度计、陀螺仪、电子罗盘、气压高度计、温度计、湿度计等高精度传感器，相比MD4-200，它的任务载荷大，抗风能力强，续航时间更长，神态控制更加稳定。

与国外相比，国内对四旋翼无人机的研究起步较晚，尚处于初步阶段。主要有南京航空航天大学、北京航空航天大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、国防科学技术大学等高校的硕士研究生以及一些高新技术企业对四旋翼无人飞行器研究的比较多。值得一提的是于2023年成立的深圳市大疆创新科技有限公司也一直致力于多旋翼无人机的研发创新，研发的主流产品线包括，AceOne系列工业无人直升机飞行控制系统及地面站控制系统，筋斗云系列多旋翼航拍飞行器，包含了高清数字图传的如来系列手持控制一体机等等。如PHANTOM2VISIO+飞行器，它自带云台，可加载高清摄像机，采用三轴陀螺减震和GPS定点定高技术，飞行稳定、操作简单，又称为会飞的相机。

2本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施

四旋翼飞行器的控制系统由神态测量系统、飞行控制系统组成。神态测量系

统实时采集传感器数据，确凿估算飞行器的神态信息。飞行控制系统以控制指令和神态反馈作为输入，通过神态控制算法计算出各电机的控制量并发送到电机驱动系统，带动旋翼转动实现飞行的神态调整。

控制过程简述：通过遥控器向无人机发送控制指令，主控器STM32F107通过SPI,IIC总线采集各神态传感器的数据,实时计算飞行器相对于地面的神态角和航向角的变化结合相应的控制律与任务指令比较,输出恰当的PWM波信号,电调通过PWM处理出相应的电压信号输入给四个电机以此控制电机转速实现自动调整飞行器在空中的神态与位置。

本课题研究基于STM32的微型四旋翼无人机，它是通过控制四个电机的转速产生的升力来控制飞行器神态的。本文将采用模块化的设计方法，将软件分为系统初始化模块、传感器数据采集模块、数据处理模块、导航模块、控制模块、无线通讯模块等，然后通过子程序调用和中断的方式将各个模块链接起来。

1）系统初始化主要包括系统时钟、定时器、中断、串口SPI、IIC总线、传感器初始配置、设置参数初始化(控制律参数、滤波器参数、标志变量)。

2)传感器数据采集模块包括：陀螺仪（俯仰角、滚转角、和偏航角）、磁力计（磁场矢量信息）、加速度计（加速度）

陀螺仪通过测量自身的转速状态判断设备的运动状态。例如向前、向后等。磁力计通过测量磁场强度和方向从而定位无人机飞行方向。

3)神态数据处理模块主要完成对传感器数滤波融合、神态计算、数据转换等功能。

神态计算：在无人机控制中涉及两种坐标系，第一种是地面坐标系E(OXYZ)，主要用来描述四旋翼飞行器的质心相对于起飞点的空间位置，坐标系原点固定于地面上飞行器的起飞点。另一种是机体坐标系B(Oxyz)，该机体坐标系与机体固定连接，用来确定飞行器在空中的神态，其原点设在飞行器重心处。只有将陀螺仪及磁力计的神态信息和位置信息解算出来才能更好地控制无人机。

4）无线通讯模块这部分包括STM32F107通过RS232接口与遥控器通信的程序和RS485接口与陀螺仪和磁力计之间的通信