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摘 要

四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机，是一种特殊构型的电动可遥控微型飞行器，它是由4个螺旋桨驱动，通过4个螺旋桨的差速来完成姿态控制。四旋翼飞行器具有四个对称分布的螺旋桨，其结构简单,控制灵活,在民用、警用、军事和科研领域都有着广阔的应用前景。为了实现四旋翼飞行器的自主飞行控制，对飞行控制系统进行初步设计，以STM32F10X芯片为主控制器，设计飞行器控制电路，实现基本的飞行功能。

本文首先介绍了四旋翼飞行器的研究背景和意义，其次是四旋翼飞行器的工作原理与发展状况；接着介绍了本课题所需要的四旋翼飞行器的主控制器STM32F10X芯片；紧接着介绍四旋翼飞行器的各个功能模块；最后详细介绍四旋翼飞行器主控制电路中的PWM接口电路，陀螺仪电路，加速度传感器电路，无线接口电路以及相关的电路。

关键词：四旋翼飞行器 STM32 PWM 陀螺仪

Circuit design and implementation of four-rotor aircraft control

Abstract

Four-rotor aircraft, also known as four-rotor helicopter, is a special configuration of the remote control miniature electric vehicle, which is driven by four propellers, propeller through differential 4 to complete attitude control. Four-rotor aircraft with propellers four symmetrical distribution of its simple structure, flexible control in civilian, police, military and scientific fields have a broad application prospects .In order to achieve autonomous flight control of four rotor aircraft, the flight control system for the preliminary design, using STM32F10X chip as the main controller, vehicle control circuit design, realize the basic function of the flight.

This paper introduces the background and significance of the four-rotor aircraft. followed by the working principle and development status of four-rotor aircraft. then introduced this topic rotorcraft needed main controller STM32F10X chip.followed by introduction of various functional modules of four rotor aircraft. Finally introduced four rotor aircraft main control circuit of PWM interface circuit, circuit of gyroscope, the acceleration sensor circuit, wireless interface circuit and related circuit.

Key Words: Four-rotor; STM32; PWM; Gyroscop

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 2

1.2 四旋翼飞行器的发展 2

1.2.1四旋翼飞行器的国外发展现状 2

1.2.2四旋翼飞行器的国内发展现状 4

1.2.3四旋翼飞行器的关键技术 5

1.2.4四旋翼飞行器的发展趋势 6

1.3 本文的主要工作 7

第二章 四旋翼飞行器的相关原理与技术 8

2.1四旋翼飞行器的结构形式 8

2.2四旋翼飞行器的工作原理 8

2.3四旋翼飞行器与传统直升机相比的优势 10

第三章 四旋翼飞行器的总体结构设计 12

3.1四旋翼飞行器总体结构设计要求 12

3.2四旋翼飞行器总体结构组成 13

3.3四旋翼飞行器的硬件选型 14

3.3.1四旋翼飞行器微处理器的选型 14

3.3.2四旋翼飞行器传感器模块选型 16

3.3.3四旋翼飞行器电机控制模块的选型 19

3.3.4无线通讯模块的选型 20

3.4四旋翼飞行器的硬件电路设计 22

3.4.1电源模块的电路设计 22

3.4.2传感器模块的电路设计 24

3.4.3电机控制模块的电路设计 25

3.4.4无线通讯模块的电路设计 26

第四章 四旋翼飞行器的飞行系统实现 27

4.1 电机PWM转速控制 27

4.1.1 PWM波的生成 28

4.2 四旋翼飞行器姿态控制 28

4.2.1惯性导航系统 28

4.2.2姿态控制实验 29

4.3 遥控接收技术 31

参考文献 32

附 录 34

致 谢 36

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

近年来，随着新材料、新能源、以及飞行控制技术、微电子技术、微惯导技术和传感器技术的飞速发展使四旋翼飞行器迅速发展起来。四旋翼飞行器能够完成定点悬停、低速飞行、垂直起降和室内飞行等任务，这就使得四旋翼飞行器能够执行固定翼飞机无法完成的任务。四旋翼飞行器与传统意义的直升机相比具有结构与控制简单、制造精度要求较低、稳定性好、较弱的陀螺效应等优势。四旋翼飞行器因其独特的结构布局和飞行方式引起人们的广泛关注，迅速成为国际上新的研究热点。四旋翼飞行器在搜索和救援任务、气象监测、大地测量、军事应用等领域具有巨大的应用前景。

四旋翼飞行器属于三大小型飞行器^[1]（固定翼飞行器、旋翼飞行器、扑翼式飞行器）中的旋翼式飞行器中的一种。四旋翼飞行器比其他的旋翼飞行器对于姿态的控制更加方便，而且其反扭力可以通过四个螺旋桨的转向配置相互抵消，从而不需要专门的反扭力桨，因而简化了飞行器的结构。四旋翼的四个螺旋桨决定了其升力可以比较大，从而决定了四旋翼飞行器可以负载更高。四旋翼飞行器集电子技术、机器人技术、通讯技术、信号处理技术、视频图像技术于一体，研究四旋翼飞行器具有重大的现实意义！

1.2 四旋翼飞行器的发展

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