基于STM32的微型四旋翼無人機控制系統(tǒng)設計-軟件設計

本文格式為Word版，下載可任意編輯——基于STM32的微型四旋翼無人機控制系統(tǒng)設計—軟件設計

畢業(yè)設計(論文)開題報告

題目：基于STM32的微型四旋翼無人機控制系統(tǒng)設計—軟件設計

院（系）電子信息工程學院專業(yè)電氣工程及其自動化班級姓名學號導師

2023年3月9日

1.畢業(yè)設計（論文）綜述（題目背景、國內外相關研究狀況及研究意義）1.1題目背景

微型無人機飛行器（MUAV，MircoUnmannedAerialVehicle）是一種內置控制系統(tǒng)，可以遠程操控實現(xiàn)自主飛行的設備。其類型包括固定翼微型飛行器、仿生撲翼微型飛行器及旋翼式微型飛行器。由于它具有隱蔽性強，低成本、低損耗、零傷亡、高機動性等優(yōu)點，使其迅速從戎事領域拓寬到農業(yè)、民用和科研等領域。在軍事領域，由于具有零傷亡，戰(zhàn)場生存能力強等特點，十分適合執(zhí)行高危險和人類無法參與的任務。在民用上，他也可以代替載人機完成一些任務，譬如救援探尋，災情勘探，氣象監(jiān)測等。

MUAV飛行性能主要包括，起飛著陸性能，神態(tài)變換性能。而這些性能的優(yōu)劣取決于核心部件--飛行控制系統(tǒng)。隨著數(shù)字處理器處理速度和能力的不斷提高，設計先進的控制系統(tǒng)已經(jīng)是大勢所趨。先進的飛行控制系統(tǒng)使微型無人機能在沒有外界干預的狀況下自主飛行，完成預先規(guī)定的任務。由于微型無人機身有限的負載能力和體積限制，現(xiàn)在的一些導航系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)很難直接在微型無人機上使用，所以對微型無人機的飛行控制系統(tǒng)的研究意義重大！1.2國內外相關研究狀況

國外對于四旋翼的研究十分的活躍，加拿大的雷克海德大學里面的相關研究人員很早就證明白采用四旋翼設計思路能夠實現(xiàn)飛行器的穩(wěn)定飛行，澳大利亞的臥龍崗大學相關研究人員已經(jīng)對四旋翼有了確切的模型建立。各國研究人員也以此引發(fā)了一個四旋翼的研究熱潮。下面對部分研究機構所設計的四旋翼做一個介紹

1）MicrodronesMD4-1000四旋翼無人飛行

MD4-1000四旋翼無人機是由德國MICRODRONES公司生產，可垂直起降自動駕駛。機體云臺都是采用特別的碳纖維材料，機身重量輕、強度高，機臂可折疊，便利運輸。神態(tài)、高度以及航向參考系統(tǒng)集成了加速度計、陀螺儀、電子羅盤、氣壓高度計、溫度計、濕度計等高精度傳感器，相比MD4-200，它的任務載荷大，抗風能力強，續(xù)航時間更長，神態(tài)控制更加穩(wěn)定。

與國外相比，國內對四旋翼無人機的研究起步較晚，尚處于初步階段。主要有南京航空航天大學、北京航空航天大學、中國科學技術大學、哈爾濱工業(yè)大學、國防科學技術大學等高校的碩士研究生以及一些高新技術企業(yè)對四旋翼無人飛行器研究的比較多。值得一提的是于2023年成立的深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司也一直致力于多旋翼無人機的研發(fā)創(chuàng)新，研發(fā)的主流產品線包括，AceOne系列工業(yè)無人直升機飛行控制系統(tǒng)及地面站控制系統(tǒng)，筋斗云系列多旋翼航拍飛行器，包含了高清數(shù)字圖傳的如來系列手持控制一體機等等。如PHANTOM2VISIO+飛行器，它自帶云臺，可加載高清攝像機，采用三軸陀螺減震和GPS定點定高技術，飛行穩(wěn)定、操作簡單，又稱為會飛的相機。

2本課題研究的主要內容和擬采用的研究方案、研究方法或措施

四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)由神態(tài)測量系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)組成。神態(tài)測量系

統(tǒng)實時采集傳感器數(shù)據(jù)，確鑿估算飛行器的神態(tài)信息。飛行控制系統(tǒng)以控制指令和神態(tài)反饋作為輸入，通過神態(tài)控制算法計算出各電機的控制量并發(fā)送到電機驅動系統(tǒng)，帶動旋翼轉動實現(xiàn)飛行的神態(tài)調整。

控制過程簡述：通過遙控器向無人機發(fā)送控制指令，主控器STM32F107通過SPI,IIC總線采集各神態(tài)傳感器的數(shù)據(jù),實時計算飛行器相對于地面的神態(tài)角和航向角的變化結合相應的控制律與任務指令比較,輸出恰當?shù)腜WM波信號,電調通過PWM處理出相應的電壓信號輸入給四個電機以此控制電機轉速實現(xiàn)自動調整飛行器在空中的神態(tài)與位置。

本課題研究基于STM32的微型四旋翼無人機，它是通過控制四個電機的轉速產生的升力來控制飛行器神態(tài)的。本文將采用模塊化的設計方法，將軟件分為系統(tǒng)初始化模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、導航模塊、控制模塊、無線通訊模塊等，然后通過子程序調用和中斷的方式將各個模塊鏈接起來。

1）系統(tǒng)初始化主要包括系統(tǒng)時鐘、定時器、中斷、串口SPI、IIC總線、傳感器初始配置、設置參數(shù)初始化(控制律參數(shù)、濾波器參數(shù)、標志變量)。

2)傳感器數(shù)據(jù)采集模塊包括：陀螺儀（俯仰角、滾轉角、和偏航角）、磁力計（磁場矢量信息）、加速度計（加速度）

陀螺儀通過測量自身的轉速狀態(tài)判斷設備的運動狀態(tài)。例如向前、向后等。磁力計通過測量磁場強度和方向從而定位無人機飛行方向。

3)神態(tài)數(shù)據(jù)處理模塊主要完成對傳感器數(shù)濾波融合、神態(tài)計算、數(shù)據(jù)轉換等功能。

神態(tài)計算：在無人機控制中涉及兩種坐標系，第一種是地面坐標系E(OXYZ)，主要用來描述四旋翼飛行器的質心相對于起飛點的空間位置，坐標系原點固定于地面上飛行器的起飛點。另一種是機體坐標系B(Oxyz)，該機體坐標系與機體固定連接，用來確定飛行器在空中的神態(tài)，其原點設在飛行器重心處。只有將陀螺儀及磁力計的神態(tài)信息和位置信息解算出來才能更好地控制無人機。

4）無線通訊模塊這部分包括STM32F107通過RS232接口與遙控器通信的程序和RS485接口與陀螺儀和磁力計之間的通信