周杰++唐曉平++曹俊合

摘要：本設(shè)計(jì)是紹興市大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目。四軸飛行器作為低空低成本的遙感平臺(tái)，在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有四個(gè)輸入?yún)s有六個(gè)輸出，所以它是一個(gè)非線性，高度耦合，欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文介紹四軸飛行器的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)了一種用加速度傳感器矯正陀螺儀零點(diǎn)漂移的方法，并且用PID控制器去控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器 姿態(tài) STM32 控制

中圖分類號(hào)：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0182-02

1 飛行器的構(gòu)成

四軸飛行器的設(shè)計(jì)上可分為硬件部分和軟件部分。四軸飛行器的控制系統(tǒng)分別有四個(gè)輸入和六個(gè)輸出。四個(gè)輸入分別是翻滾角，海拔，偏航角和俯仰角；六個(gè)輸出分別是三個(gè)坐標(biāo)軸的線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)。四軸飛行器的硬件是比較簡(jiǎn)單，本文的主要內(nèi)容是軟件的實(shí)現(xiàn)。

1.1 硬件構(gòu)成

四軸飛行器由機(jī)架、電機(jī)、螺旋槳和控制電路構(gòu)成。

1.2 電氣構(gòu)成

電氣部分包括：電子調(diào)速器、控制電路板、電池，和傳感器模塊、一些外接的通訊。電氣連接如圖1所示。

1.3 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

核心板用STM32，STM32系列基于專為要求低成本、低功耗、高性能的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。用它來(lái)處理四軸飛行器的復(fù)雜運(yùn)算很適合。電路圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 四軸飛行器坐標(biāo)描述

在設(shè)計(jì)四軸飛行器控制系統(tǒng)之前，先要理解四軸飛行器的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力學(xué)。四軸飛行器涉及兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)：地理坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系。如圖3所示。

2.1 姿態(tài)的表示和運(yùn)算

飛行器的姿態(tài)是指飛行器的方向，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滾轉(zhuǎn)角（roll）。公式1.1描述了四元數(shù)的微分方程，其中分別代表陀螺儀X，Y，Z三軸的角速度。

2.2 互補(bǔ)濾波算法

Mark Euston提出的互補(bǔ)濾波法。開(kāi)始算出兩個(gè)叉積：

然后把叉積乘以一個(gè)系數(shù)，加到陀螺的角增量上，和分別為加速度和磁場(chǎng)的糾正系數(shù)，一般取接近0的數(shù)：

構(gòu)造旋轉(zhuǎn)增量：

這個(gè)方法比前兩個(gè)簡(jiǎn)單，運(yùn)算量也比前兩個(gè)少（如圖4所示）。

3 結(jié)語(yǔ)

四軸飛行器的發(fā)展歷史快一個(gè)世紀(jì)了，發(fā)展初因?yàn)榧夹g(shù)的限制，沒(méi)能很好的推廣開(kāi)來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，四軸飛行器技術(shù)也變得越來(lái)越成熟，社會(huì)上也越來(lái)越關(guān)注四軸飛行器，不斷的研究出新的成果，本文主要是圍繞著四軸飛行器的制作和算法，從理論到實(shí)現(xiàn)，在這期間做了一下相應(yīng)的工作：以STM32 F103處理器為主控芯片，用Altium Designer10設(shè)計(jì)制作了四軸飛行器的PCB核心板，并購(gòu)買了相應(yīng)的電子元件，并進(jìn)行焊接與調(diào)試。軟件編寫(xiě)，通過(guò)調(diào)試，驗(yàn)證算法的可行性，采集信息，準(zhǔn)確的估計(jì)四軸飛行器的姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)四軸飛行器的閉環(huán)控制。

參考文獻(xiàn)

[1]宋慧濱，徐申，段德山.一種直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008.

[2]冬雷.DSP原理及電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]張超，何湘寧.非對(duì)稱模糊PID控制在光伏MPPT中的應(yīng)用[J].

[4]胡宇群.微型飛行器中的若干動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究：[博士學(xué)位論文].南京航空航天大學(xué)，2002.endprint

摘要：本設(shè)計(jì)是紹興市大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目。四軸飛行器作為低空低成本的遙感平臺(tái)，在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有四個(gè)輸入?yún)s有六個(gè)輸出，所以它是一個(gè)非線性，高度耦合，欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文介紹四軸飛行器的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)了一種用加速度傳感器矯正陀螺儀零點(diǎn)漂移的方法，并且用PID控制器去控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器 姿態(tài) STM32 控制

中圖分類號(hào)：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0182-02

1 飛行器的構(gòu)成

四軸飛行器的設(shè)計(jì)上可分為硬件部分和軟件部分。四軸飛行器的控制系統(tǒng)分別有四個(gè)輸入和六個(gè)輸出。四個(gè)輸入分別是翻滾角，海拔，偏航角和俯仰角；六個(gè)輸出分別是三個(gè)坐標(biāo)軸的線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)。四軸飛行器的硬件是比較簡(jiǎn)單，本文的主要內(nèi)容是軟件的實(shí)現(xiàn)。

1.1 硬件構(gòu)成

四軸飛行器由機(jī)架、電機(jī)、螺旋槳和控制電路構(gòu)成。

1.2 電氣構(gòu)成

電氣部分包括：電子調(diào)速器、控制電路板、電池，和傳感器模塊、一些外接的通訊。電氣連接如圖1所示。

1.3 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

核心板用STM32，STM32系列基于專為要求低成本、低功耗、高性能的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。用它來(lái)處理四軸飛行器的復(fù)雜運(yùn)算很適合。電路圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 四軸飛行器坐標(biāo)描述

在設(shè)計(jì)四軸飛行器控制系統(tǒng)之前，先要理解四軸飛行器的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力學(xué)。四軸飛行器涉及兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)：地理坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系。如圖3所示。

2.1 姿態(tài)的表示和運(yùn)算

飛行器的姿態(tài)是指飛行器的方向，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滾轉(zhuǎn)角（roll）。公式1.1描述了四元數(shù)的微分方程，其中分別代表陀螺儀X，Y，Z三軸的角速度。

2.2 互補(bǔ)濾波算法

Mark Euston提出的互補(bǔ)濾波法。開(kāi)始算出兩個(gè)叉積：

然后把叉積乘以一個(gè)系數(shù)，加到陀螺的角增量上，和分別為加速度和磁場(chǎng)的糾正系數(shù)，一般取接近0的數(shù)：

構(gòu)造旋轉(zhuǎn)增量：

這個(gè)方法比前兩個(gè)簡(jiǎn)單，運(yùn)算量也比前兩個(gè)少（如圖4所示）。

3 結(jié)語(yǔ)

四軸飛行器的發(fā)展歷史快一個(gè)世紀(jì)了，發(fā)展初因?yàn)榧夹g(shù)的限制，沒(méi)能很好的推廣開(kāi)來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，四軸飛行器技術(shù)也變得越來(lái)越成熟，社會(huì)上也越來(lái)越關(guān)注四軸飛行器，不斷的研究出新的成果，本文主要是圍繞著四軸飛行器的制作和算法，從理論到實(shí)現(xiàn)，在這期間做了一下相應(yīng)的工作：以STM32 F103處理器為主控芯片，用Altium Designer10設(shè)計(jì)制作了四軸飛行器的PCB核心板，并購(gòu)買了相應(yīng)的電子元件，并進(jìn)行焊接與調(diào)試。軟件編寫(xiě)，通過(guò)調(diào)試，驗(yàn)證算法的可行性，采集信息，準(zhǔn)確的估計(jì)四軸飛行器的姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)四軸飛行器的閉環(huán)控制。

參考文獻(xiàn)

[1]宋慧濱，徐申，段德山.一種直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008.

[2]冬雷.DSP原理及電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]張超，何湘寧.非對(duì)稱模糊PID控制在光伏MPPT中的應(yīng)用[J].

[4]胡宇群.微型飛行器中的若干動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究：[博士學(xué)位論文].南京航空航天大學(xué)，2002.endprint

摘要：本設(shè)計(jì)是紹興市大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目。四軸飛行器作為低空低成本的遙感平臺(tái)，在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有四個(gè)輸入?yún)s有六個(gè)輸出，所以它是一個(gè)非線性，高度耦合，欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文介紹四軸飛行器的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)了一種用加速度傳感器矯正陀螺儀零點(diǎn)漂移的方法，并且用PID控制器去控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器 姿態(tài) STM32 控制

中圖分類號(hào)：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0182-02

1 飛行器的構(gòu)成

四軸飛行器的設(shè)計(jì)上可分為硬件部分和軟件部分。四軸飛行器的控制系統(tǒng)分別有四個(gè)輸入和六個(gè)輸出。四個(gè)輸入分別是翻滾角，海拔，偏航角和俯仰角；六個(gè)輸出分別是三個(gè)坐標(biāo)軸的線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)。四軸飛行器的硬件是比較簡(jiǎn)單，本文的主要內(nèi)容是軟件的實(shí)現(xiàn)。

1.1 硬件構(gòu)成

四軸飛行器由機(jī)架、電機(jī)、螺旋槳和控制電路構(gòu)成。

1.2 電氣構(gòu)成

電氣部分包括：電子調(diào)速器、控制電路板、電池，和傳感器模塊、一些外接的通訊。電氣連接如圖1所示。

1.3 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

核心板用STM32，STM32系列基于專為要求低成本、低功耗、高性能的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。用它來(lái)處理四軸飛行器的復(fù)雜運(yùn)算很適合。電路圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 四軸飛行器坐標(biāo)描述

在設(shè)計(jì)四軸飛行器控制系統(tǒng)之前，先要理解四軸飛行器的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力學(xué)。四軸飛行器涉及兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)：地理坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系。如圖3所示。

2.1 姿態(tài)的表示和運(yùn)算

飛行器的姿態(tài)是指飛行器的方向，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滾轉(zhuǎn)角（roll）。公式1.1描述了四元數(shù)的微分方程，其中分別代表陀螺儀X，Y，Z三軸的角速度。

2.2 互補(bǔ)濾波算法

Mark Euston提出的互補(bǔ)濾波法。開(kāi)始算出兩個(gè)叉積：

然后把叉積乘以一個(gè)系數(shù)，加到陀螺的角增量上，和分別為加速度和磁場(chǎng)的糾正系數(shù)，一般取接近0的數(shù)：

構(gòu)造旋轉(zhuǎn)增量：

這個(gè)方法比前兩個(gè)簡(jiǎn)單，運(yùn)算量也比前兩個(gè)少（如圖4所示）。

3 結(jié)語(yǔ)

四軸飛行器的發(fā)展歷史快一個(gè)世紀(jì)了，發(fā)展初因?yàn)榧夹g(shù)的限制，沒(méi)能很好的推廣開(kāi)來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，四軸飛行器技術(shù)也變得越來(lái)越成熟，社會(huì)上也越來(lái)越關(guān)注四軸飛行器，不斷的研究出新的成果，本文主要是圍繞著四軸飛行器的制作和算法，從理論到實(shí)現(xiàn)，在這期間做了一下相應(yīng)的工作：以STM32 F103處理器為主控芯片，用Altium Designer10設(shè)計(jì)制作了四軸飛行器的PCB核心板，并購(gòu)買了相應(yīng)的電子元件，并進(jìn)行焊接與調(diào)試。軟件編寫(xiě)，通過(guò)調(diào)試，驗(yàn)證算法的可行性，采集信息，準(zhǔn)確的估計(jì)四軸飛行器的姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)四軸飛行器的閉環(huán)控制。

參考文獻(xiàn)

[1]宋慧濱，徐申，段德山.一種直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008.

[2]冬雷.DSP原理及電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]張超，何湘寧.非對(duì)稱模糊PID控制在光伏MPPT中的應(yīng)用[J].

[4]胡宇群.微型飛行器中的若干動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究：[博士學(xué)位論文].南京航空航天大學(xué)，2002.endprint