基于STM的四旋翼飛行控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、目錄1 前言1.1.1.1 背景與意義1.1.1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1.1.3 論文主要工作2.2總體方案設(shè)計(jì)3.1.2.1 方案比較32.2 方案論證與選擇3.3飛行器原理與結(jié)構(gòu)5.3.1飛行器原理5.3.2飛行器結(jié)構(gòu)6.4單元模塊設(shè)計(jì)8.1.4.1 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)8.4.1.1 電源84.1.2 STM32F407最小系統(tǒng)9.4.1.3 下載電路1.1.4.1.4飛控姿態(tài)模塊1.1.4.1.5無刷電機(jī)連接電路1.2.4.1.6串口接口電路1.2.4.2特殊器件的介紹1.1 2.1.2 .1無線數(shù)傳模塊1.2.4.2.2飛控姿態(tài)模塊1.3.5軟件設(shè)計(jì)1.1. .5.1 軟件

2、設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)所用工具1.1.5.2 主要軟件設(shè)計(jì)流程框圖及說明1.1 71.2 .1串口中斷流程圖1.1. .5.2.2 外部中斷流程圖1.1. .5.2.3 主程序流程圖1.8.6系統(tǒng)調(diào)試2.0.6.1通信系統(tǒng)2.0.6.2姿態(tài)傳感器調(diào)試2.1.6.2.1傳感器數(shù)據(jù)分析與處理2.16.2.2姿態(tài)解算2.3.6.2.3數(shù)據(jù)中斷2.8.6.3PID調(diào)試3.0.6.3.1PID姿態(tài)控制3.0.6.3.2飛控系統(tǒng)PID調(diào)試3.37系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù)3.1. .7.1 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的功能3.1. .7.2 系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)3.6.8結(jié)論3.8.8.1 回顧3.8.8.2 展望3.8.9總結(jié)與體會(huì)3.9.1

3、0謝辭4.0.11參考文獻(xiàn)4.1.附錄：4.2.1. 硬件電路圖4.2.2. PCB圖4.3.3. 部分程序4.4.4. 外文翻譯4.6.1前言1.1 背景與意義近年來得益于現(xiàn)代控制理論與電子控制技術(shù)的發(fā)展，四軸飛行器得到了廣泛的關(guān)注，在民用與工業(yè)領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。甚至無人機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)中得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)下無人機(jī)發(fā)展火熱，其中以四旋翼飛行器的發(fā)展最為突出。四旋翼飛行器其具有以下特點(diǎn)：(1)體積小巧，可以工作在惡劣的，危害人類健康和生命的環(huán)境中，最大限度地減少人員傷亡，飛行器可以全天工作無需休息，工作效率高。(2)支持配備高端電子產(chǎn)品，多種外設(shè)相連接，如照相機(jī)、機(jī)械臂等，可以實(shí)現(xiàn)一些娛樂功能

4、。例如在高空電力線巡檢中，無人機(jī)能在工作人員的操控下進(jìn)行工作，可以代替人工對(duì)巡檢對(duì)象實(shí)施接近檢測(cè)，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。也可以攜帶傳感儀器、攝像機(jī)等，對(duì)巡檢對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析與存儲(chǔ)，這進(jìn)一步提高巡檢的工作效率和巡檢精度。在軍事上，在局部小規(guī)模對(duì)戰(zhàn)的時(shí)候，一些普通的偵察機(jī)，可能受到敵方打擊而造成不必要的機(jī)體人員傷亡，無人機(jī)則可以很好地起到替代作用。利用四旋翼飛行器作為偵察機(jī)，具有振動(dòng)小、噪聲小、可靠性高、成本低、反偵察能力強(qiáng)、自我銷毀等優(yōu)勢(shì)。因此無人機(jī)的軍事價(jià)值不可估量。四旋翼飛行器還有著更為廣闊的前景等待著開發(fā)。比如可以通過為飛行器的添加更加智能的算法實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，讓飛行器幫人取物件等。盡管

5、目前四旋翼飛行器已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到運(yùn)用，但總體而言依舊處于初步發(fā)展階段。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)際上比較知名的飛行器公司有中國(guó)大疆創(chuàng)新和美國(guó)的3DRobotics。作為全球無人機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，這兩家公司在無人機(jī)技術(shù)發(fā)展速度可以用迅猛來形容。比如大疆公司最新的精靈4無人機(jī)，實(shí)物圖如圖1.1所示。圖1.1精靈4實(shí)物圖精靈4具有以下功能：1. 可感知前方障礙物并自動(dòng)繞行。2. 通過視覺識(shí)別自動(dòng)跟拍移動(dòng)物體。3. 點(diǎn)擊相機(jī)畫面，即可向指點(diǎn)方向自主飛行。4. 智能返航，感知障礙物后可自動(dòng)提升飛行高度。5. 最大飛行時(shí)間28分鐘，最大可控距離約5公里。6. 最高速度提升至20m/s(72km/h)。7.

6、一體化云臺(tái)設(shè)計(jì)，提升了飛行和影像的穩(wěn)定性。8. 利用全新的視覺定位技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外精準(zhǔn)定位。又比如：3DRobotics公司最新出品的PIXHAWK飛控，擁有出色飛行穩(wěn)定性，搭載雙傳感器系統(tǒng)和冗余電源輸入并且可以擴(kuò)展兩組GPS系統(tǒng)，確保飛行失誤降到最低。這兩家公司占領(lǐng)了全球大部分無人機(jī)市場(chǎng)，并且由于技術(shù)的高門檻和壟斷，其他無人機(jī)公司已經(jīng)被遠(yuǎn)遠(yuǎn)的甩在了后面。大部分的無人機(jī)公司的技術(shù)僅僅停留在穩(wěn)定飛行、簡(jiǎn)單航拍和戶外GPSSe位階段。1.3論文主要工作無人機(jī)作為當(dāng)今電子產(chǎn)業(yè)里一個(gè)冉冉升起的新星，具有廣闊的市場(chǎng)和發(fā)展前景。作為當(dāng)代大學(xué)生，不僅要順應(yīng)時(shí)代的潮流，更要有作為時(shí)代弄潮兒的信心與勇氣。四旋

7、翼無人機(jī)涉及知識(shí)面很廣泛，其中核心知識(shí)與本專業(yè)契合度相當(dāng)高。比如，一顆功能強(qiáng)勁的微機(jī)芯片就可以打造一個(gè)功能完備的飛行控制系統(tǒng)。而這恰恰是微機(jī)原理和單片機(jī)的運(yùn)用。主流無人機(jī)的控制系統(tǒng)離不開自動(dòng)控制原理。并且目前無人機(jī)在電力行業(yè)的應(yīng)用力度很大，綜上，畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇了基于STM32ARM單片機(jī)的四旋翼飛控系統(tǒng)。受限于本人知識(shí)水平，本文解決以下問題：第一章節(jié)：四旋翼飛行器研究背景與意義，國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。第二章節(jié)：就四旋翼飛行器方案討論與選擇，選擇了基于STM32AR雌片機(jī)的四旋翼飛行控制系統(tǒng)。第三章節(jié)：簡(jiǎn)單敘述了飛行器飛行原理，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)。第四章節(jié)：飛行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，其中包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，各類模

8、塊接口等。第五章節(jié)：程序流程圖，對(duì)程序流程進(jìn)行簡(jiǎn)單說明。第六章節(jié)：飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，DM腰態(tài)解算方式，配置中斷實(shí)時(shí)更新當(dāng)前飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)。四旋翼飛行器的PID調(diào)試策略。第七章節(jié)：上位機(jī)與飛行器之間的通信系統(tǒng)，PID調(diào)試過程。2總體方案設(shè)計(jì)2.1 方案比較方案一：基于意大利開源硬件ArduinoNano作為數(shù)據(jù)處理，姿態(tài)結(jié)算的飛行控制系統(tǒng)。其飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1 Arduino 飛控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖O方案二：采用意法半導(dǎo)體的 STM32F407VET6為飛行器的主控芯片其飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。I 調(diào)試 單元加速度計(jì)/陀螺儀模塊穩(wěn)壓也源單元上位

9、機(jī)控制命令無線數(shù)據(jù)傳輸模塊微控制器單元STM32F407VET6電了調(diào) 速器1電子調(diào) 速器2PM®制接口* -43 邇養(yǎng)3f 電機(jī)1f iLltlL2UART模塊 接IE行控制器LED?制單元I電子調(diào)7速器4圖2.2基于STM32飛控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2 方案論證與選擇方案一：ArduinoNano是基于Atmega328PAV彈片機(jī)的開源硬件，具有兩個(gè)外部中斷口，可以輸出六路PWIMl,兼?zhèn)銲IC,UART,SPI通信功能，總的來說，其具有豐富的片上資源和優(yōu)秀的性能。對(duì)它編程使用的是ArduinoC,這種C語言類似于標(biāo)準(zhǔn)C,但又針對(duì)Arduino系統(tǒng)做了大量的簡(jiǎn)化工作，提供了許多函數(shù)和庫文件，但是通用性不高。Arduino雖然是已開源的飛行控制系統(tǒng)，命令是依靠無線遙控器發(fā)出的，這會(huì)額外增加遙控器的費(fèi)用。另外Arduino通信協(xié)議未知，這并不利于增添代碼后的調(diào)試工作。方案二：意法半導(dǎo)體的STM32F407VET電CORTEX-M4核，屬于32位ARM微控制器，常用的編程軟件是KEIL和IAR,編程語言可以是匯編，標(biāo)準(zhǔn)C語言，C+將