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摘 要

四旋翼飞行器是相较于固定翼飞行器而言，组成结构更加简单的小型飞行器。并且在有旋翼的无人机中四旋翼的机械构成也是十分简单的一种，四个旋翼调控姿态动作也保证了其在飞行过程中有着良好的稳定性，由于其体积比较小而且可以垂直起降，对无人机起落的条件要求相对较低，出现系统故障的概率低也方便对飞行器进行维护。基于以上所提及到的优点，如今四旋翼飞行器在民用领域和军事领域都有相当广泛的应用前景，如今全世界范围内的四旋翼飞行器发展已经十分迅猛，在其研究开发中涉及到的相关技术繁多并且非常值得研究学习其中的相关原理。

在本文的开篇，首先介绍了四旋翼飞行器这一事物的诞生、发展历程以及到现今为止有关其拓展研究的国内外相关情况，将一些国内外研究中比较典型的多旋翼飞行器作为例子进行了有关的说明介绍，再然后对四旋翼飞行器基本的机械构造以及保证其能够正常工作的飞行工作原理进行了说明，定下了本文所采用的飞行器构造结构。接下来是PID控制器的选择和有关内容的说明介绍，对典型PID算法和双闭环PID控制算法进行了比较分析。在四旋翼飞控板硬件设计上，依靠PWM波驱动的方式来驱动位于飞控板四个角上的无刷电机以完成四旋翼飞行器的动力提供，主控选用STM32F103系列芯片，选用MPU6050模块完成数据收集也即是传感器，再通过2.4G信号的收发设立信号收发单元与操纵者使用的遥控设备取得通信。在本次设计的最后，制作了相对应的四旋翼飞控硬件，经过软件测试调整后，进行了飞行器试飞行，通过实际的实验进行了飞行器有关系数的修正，得到了本文所需求的能够平稳飞行的小型四旋翼，验证了相关理论分析过程的正确性，完满完成了本次设计。

关键词：四旋翼飞行器 双闭环PID算法 STM32

Hardware Design of Four-rotor Controller

Abstract

The four-rotor aircraft is a small aircraft with a relatively simple structure.Compared with other aircraft, the mechanical structure of the four-rotor aircraft is very simple. The requirements for the landing of the aircraft are relatively low, the probability of failure is low and it is easy to maintain. According to the above advantages, the quadrotor aircraft has a broadly application foreground in the civil and military fields. Now the development of the quadrotor aircraft has been very rapid, and the related technical principles involved in the development of the four-axis are also very worthy of study.

In the beginning of this article, I first introduced the birth, development process of the four-rotor aircraft, and the relevant domestic and foreign related research on its expansion so far. Some typical multi-rotor aircraft in domestic and foreign research were taken as examples Introduce the description, and then explain the basic mechanical structure of the four-rotor aircraft and the working principle of the flight to ensure its normal operation, and determine the structure of the aircraft used in this article.PID controller and its algorithm are introduced. In the design of the four-rotor flight control board, the PWM wave drive is used to drive the hollow cup motors at the four corners to complete the power supply of the four-rotor aircraft. The STM32 series chip is used as the most essential chip, and the MPU6050 is used as the inertial measurement unit. Establish contact with remote control equipment through 2.4G signal transceiver module. Finally, a prototype of a four-rotor aircraft was made. After the software was debugged, flight experiments were carried out. The actual flight conditions were used to modify and debug the relevant parameters, and the stable flight of the four-rotor aircraft was finally achieved.

Key Words: Quadcopter; PID; STM32

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1. 课题研究背景及意义 1

1.1.1. 课题研究背景 1

1.1.2. 四旋翼飞行器介绍 1

1.1.3. 发展前景及研究意义 2

1.2. 国内外研究历史及现状 2

1.2.1. 国外研究历史及现状 2

1.2.2. 国内研究现状 5

1.3. 本文主要研究内容 6

第二章 四旋翼飞行器的工作原理 7

2.1. 四旋翼飞行器的工作原理以及结构 7

2.2. 四旋翼飞行器运动姿态表示 9

2.3. 四旋翼飞行器的姿态解算 11

2.4. PID控制算法介绍 12

2.5. 本章小结 13

第三章 四轴飞行器硬件电路设计 14

3.1. 引言 14

3.2. 主要元件的选型 14

3.2.1. 主控芯片的选型 14

3.2.2. 陀螺仪和加速度计的选型 15

3.2.3. 气压计的选型 15

3.2.4. 电子指南针的选型 15

3.3. 四旋翼飞行器飞控板的设计 16

3.3.1. 飞控板的结构 16

3.3.2. STM32F103主控模块 16

3.3.3. 电源模块 17

3.3.4. 系统调试接口 18

3.3.5. 飞控板保护模块 19

3.3.6. 传感器模块 19

3.3.7. 外部可拓展接口 21

3.3.8. 电机驱动模块 22

3.4. 飞控板的PCB绘制 22

3.4.1. 元器件的布局 22

3.4.2. 布线 23

3.5. 本章小结 23

第四章 焊接飞控板及测试 24

4.1. 引言 24

4.2. 飞控板相关保护设施 24

4.3. 四旋翼飞行器的调试 25

4.4. 飞行器飞行测试 26

4.5. 本章小结 26

第五章 总结与展望 27

5.1. 本文总结 27

5.2. 研究展望 28

参考文献 29

致 谢 31

第一章 绪论

课题研究背景及意义

课题研究背景

在当前世纪，伴随着各种传感器技术和通信技术的不断进步以及通过材料改善使得体积小、重量轻，存储能量多的储蓄电池的成功研发，在过去原本飞行能力较差、飞行续航能力糟糕的多旋翼无人机的性能和续航时间都得到了相当大的提升。此外，采用电池供能的四旋翼无人机较低的成本和操控难度也导致了它在军事领域、工业方面、农业相关方面在内的多个领域内的广泛使用^[1]。

四旋翼飞行器介绍

四旋翼无人机属于小型飞行器的一种，它是通过用户远程控制或者依靠其携带的主控芯片内部蚀刻程序来控制的一种飞行器。四旋翼飞行器属于飞行器中的有旋翼飞行器一类，依靠其上安装的多个旋翼带动飞控板主体飞行，常见的四旋翼分布有“十”字模式和“X”模式两种^[2]，四旋翼飞行器通过控制其主体上四个电机的转速来实现四旋翼飞行器在空间中的各种姿态运动如偏转和翻转。

目前使用的四旋翼飞行器具有以下优点：

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