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基于STM32的四旋翼飞行器的设计与研究

马瑞君  
【摘要】:四旋翼属于旋翼飞行器中的多旋翼飞行器类别,其机械结构轻便、体积小巧、动作灵活、适应能力强、低投入高回报,以上优点使其在军用与民用两个领域均有亮眼表现。论文以四旋翼飞行器为研究目标,选用STM32为核心控制芯片设计了一款四旋翼飞行器,并完成了四旋翼飞行器在室内试飞工作。本文主要展开了以下研究工作:首先对文中涉及到的三种四旋翼机体结构进行了简单介绍,并在地球表面建立了地理坐标系,在四旋翼上建立了机体坐标系,借用两个坐标系的转换关系介绍了姿态角的定义。然后对欧拉角法、方向余弦矩阵法、四元数法三种表示四旋翼姿态角的方法进行介绍,并推导了三者之间的转换关系,分析了它们的解算原理,经过比对,最终选定用四元数法对姿态角进行解算。对四旋翼飞行器的基本运动原理进行了分析,根据飞行器的空气动力学特性,搭建出四旋翼的数学模型,在搭建的数学模型基础上对数据融合算法和姿态控制算法进行了深入研究,对互补滤波算法进行了阐述,针对姿态采集模块中陀螺仪和加速度计的不同特性选择采用基于互补滤波算法设计了互补滤波器。在姿态控制器中设计角度/角速度串级PID双闭环控制算法的方案,保证了机体在油杆控制下能够快速响应并及时到达期望位置。借助Matlab软件,在Simulink模块中搭建出四旋翼控制系统的仿真模型,并对该模型运行结果进行仿真,通过观测仿真输出波形验证本文搭建的控制系统的可靠性。最后以数学模型和控制器为依据,通过Altium Designer软件绘制了供电、稳压、信号采集、通讯等模块的电路原理图,对以上电路中的元器件进行布局,制作出了 PCB电路板。搭建完成实验平台后,重点对姿态数据采集电路、通讯电路、电机驱动电路进行了电压信号测试,确保四旋翼能够在上电情况下正常运行。阐述了飞行控制系统整体方案设计和算法流程,基于Keil软件完成了对ⅡC、SPI通讯协议和控制算法等程序的编写。对上位机采集到四旋翼在模拟起飞和定高飞行过程中的姿态数据进行分析,对四旋翼的PID参数进行整定,完成了实验室环境内的试飞工作,验证了本文硬件、软件设计的可行性,实现了预期设计目标。


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