基于STM32的微型四旋翼無人機控制系統(tǒng)設(shè)計-軟件設(shè)計

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畢業(yè)設(shè)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(shè)計—軟件設(shè)計

院（系）電子信息工程學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動化班級姓名學(xué)號導(dǎo)師

2023年3月9日

1.畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述（題目背景、國內(nèi)外相關(guān)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(nèi)置控制系統(tǒng)，可以遠程操控實現(xiàn)自主飛行的設(shè)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(lǐng)域拓寬到農(nóng)業(yè)、民用和科研等領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)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(wù)。在民用上，他也可以代替載人機完成一些任務(wù)，譬如救援探尋，災(zāi)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(shè)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(yù)的狀況下自主飛行，完成預(yù)先規(guī)定的任務(wù)。由于微型無人機身有限的負(fù)載能力和體積限制，現(xiàn)在的一些導(dǎo)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(nèi)外相關(guān)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(xué)里面的相關(guān)研究人員很早就證明白采用四旋翼設(shè)計思路能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器的穩(wěn)定飛行，澳大利亞的臥龍崗大學(xué)相關(guān)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(gòu)所設(shè)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(chǎn)，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(wù)載荷大，抗風(fēng)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(nèi)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(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)等高校的碩士研究生以及一些高新技術(shù)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(chǎn)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(shù)，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(nèi)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(qū)動系統(tǒng)，帶動旋翼轉(zhuǎn)動實現(xiàn)飛行的神態(tài)調(diào)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(jié)合相應(yīng)的控制律與任務(wù)指令比較,輸出恰當(dāng)?shù)腜WM波信號,電調(diào)通過PWM處理出相應(yīng)的電壓信號輸入給四個電機以此控制電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)自動調(diào)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(zhuǎn)速產(chǎn)生的升力來控制飛行器神態(tài)的。本文將采用模塊化的設(shè)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(dǎo)航模塊、控制模塊、無線通訊模塊等，然后通過子程序調(diào)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(shè)置參數(shù)初始化(控制律參數(shù)、濾波器參數(shù)、標(biāo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速狀態(tài)判斷設(shè)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(zhuǎn)換等功能。

神態(tài)計算：在無人機控制中涉及兩種坐標(biāo)系，第一種是地面坐標(biāo)系E(OXYZ)，主要用來描述四旋翼飛行器的質(zhì)心相對于起飛點的空間位置，坐標(biāo)系原點固定于地面上飛行器的起飛點。另一種是機體坐標(biāo)系B(Oxyz)，該機體坐標(biāo)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(shè)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