【摘 要】微型四轴飞行器是一种结构比较新颖并且性能优秀可以垂直起降并且可以通过遥控器控制飞行姿态，具有很重要的军事价值以及研究价值，在民用领域也发挥也有极其关键的地方，比如农药自动喷洒，自动浇灌以及高层灭火等领域。在了解了飞行器的原理以及关键技术的基础上，首先采用简单飞行器的模型，选择比较合适的空心杯电机以及驱动装置，以满足微型四轴飞行器飞行需要，选取了STM32作为本设计的主控器，飞行运动的姿态选取IMU角度姿态传感器和电子罗盘组成，并且根据传感器的性能，构建三维模型，得到准确的航向信息和姿态控制，为做出稳定的飞行器打下良好的基础。微型四轴飞行器的首要前提就是飞行稳定，本飞行器采用六自由度的控制系统，通过PID调节电机转速，平衡控制利用陀螺仪获取参数并进行数据处理，根据空气动力学调节飞行姿态以及航向的控制，本设计主要包括两个回路，第一个是姿态的闭环控制回路以及位置的闭环控制回路，在仿真软件上，通过仿真软件移植相应的算法进行仿真，后将仿真稳定得到的数据移植到实物中从而达到事半功倍的效果，最后，满足微型四轴飞行器最后的要求，设计出一款运行实时性高并且能够实现一键起飞功能四旋翼，进行相关的实验和调试，最终设计出一款满足要求的微型四轴飞行器。
目录
一、引言 1
（一）微型四轴飞行器的发展背景 1
（二）微型四轴飞行器的国内外发展现状 1
（三）本文主要研究内容 3
二、微型四轴飞行器的结构设计和硬件设计 4
（一）微型四轴飞行器的结构和工作原理 4
（二）飞行器的硬件设计和分析 5
（三）飞行器的控制系统介绍 5
（四）硬件设计和MCU选型 6
（五）传感器电路 7
1.重力加速度传感器 7
2.电子陀螺仪的传感器 8
（六）电机接口电路设计 9
（七）电源电路的设计 10
（八）无线通信和 PA 接口 10
三、系统软件设计 12
（一）NRF51822 程序框架流程设计 12
（二）STM32F411 程序框架 13
（三）姿态解算和 PID 算法流程图 13
四、实物制作与安装 *51今日免费论文网|www.51jrft.com +Q: ^351916072^ 
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（一） 实物制作 15
（二） 实物调试 15
总结 17
致谢 18
参考文献 19
附录一原理图 20
附录二 PCB图 21
附录四程序 24
（一） 四轴STM32F411程序 24
（二） 遥控器程序 25
一、引言
（一）微型四轴飞行器的发展背景
本设计录用惯性导航单元IMU获取相应参数，PID调节电机的控制算法，2.4G的无线遥控技术和高速直流电机来驱动简易的飞行器，整个系统包括飞行控制部分和遥控发射部分，飞行控制部分采用了PCB一体化设计，增强了系统的稳定性以及紧凑性。遥控器部分采用了模拟摇杆的操作作为输入，两个部分之间的通讯采用2.4G无线模块保证数据的传输的稳定度，飞行控制器采用STM32作为主控器，采用MPU6050三轴陀螺仪，三轴加速度计进行数据采集单元，通过2.4G无线模块和遥控器进行通讯，最终利用PID算法控制PWM方式驱动电机来实现飞行器的飞行。
（二）微型四轴飞行器的国内外发展现状
在1907年，breguet兄弟在Richet教授的帮助下成功研发出了第一架旋翼式飞行器，杜艾飞行场的飞行工程师进行了长达三十二次的图纸设计和飞行原理的实验之后在1907年的八月二十四日在breguet兄弟的帮助下进行最早的原型机试飞工作，成功的飞离地面50cm，比另外一位法国工程师的直升飞机试飞仅仅早了一个星期，breguet兄弟采用的是4副双层旋叶设计，这也是四轴飞行器首次出现在人类历史舞台，四轴飞行器的概念也就此建立，下图就是1907年第一架四旋翼飞行的地面调试：
图1 De Botherzat直升飞机模型
在1921年的冬天，George工程师在美国空军基地建造了第一架直升飞机，这就是后来闻名世界的DE Bothezat直升飞机，De 直升飞机是由De Bothezat工程师和其助手共同设计完成，采用了一个发动机带动四个旋翼，这架直升机实现多次低空低速飞行，但实际上由于当时飞行员水平有限，该直升飞机的设计最后由于动力不足，反应较慢并且稳定性较差等原因，并且该直升飞机的巡航高度智能离地面5M高度，和最初设计的100米的高度有很大的差距，最终美国军方对该直升飞机失去兴趣并于1924年夏天停止该直升飞机的研发工作，该模型最终报废处理。
图2 De Botherzat直升飞机模型
早期的四旋翼飞行器都有额外的主旋翼，并且为飞行器提供前进或者后退的拉力用以驱动四旋翼飞行器飞行，所以说，他们不能真正的算作四旋翼飞行器，直到20世纪50年代，Conmege公司的工程师设计的两个引擎带动重达2200磅的四旋翼飞行器，可以让飞行器在空中悬停并且前后左右飞行，因此，该飞行器是世界第一架四旋翼飞行器，但是当时社会各界对这种直升飞机的关注很少，所以最终该飞行器的工程师对该四旋翼飞行器停止了研究。
图3世界第一架四旋翼飞行器
尽管有这些很早的飞行器并且已经取得一定的成果，但是四旋翼飞行器并没有多少实际应用的地方，因为四旋翼飞行器的性能上没有任何优势，无论是航程，速度还是荷载量都没有优势，所以在20世纪没有任何生产厂商对四旋翼飞行器有所开发，但是最近几年来，随着理论知识的挖掘和新材料的问世，小型的四轴飞行器又迎来了春天，也使得小型的飞行器有了潜在的研究价值。
当今世界上对于小的飞行器一般存在于多机协调编队方面的研究，但是从引用角度上主要集中在小型四轴飞行器和无人机安防方面的研究。随着现在控制理论的发展，慢慢很多学者都把控制思想运用到了飞行器的设计中来，比如东京大学有一套模糊算法，在模型的情况下实现对飞行器的控制，综上所述，在飞行中采用PID算法是最有效也是运用人员最多的方法。
（三）本文主要研究内容
本设计主要研究内容是：
基于STM32单片机的飞行控制板，并且完成四轴飞行器的稳定飞行，遥控飞行以及一键飞行，为后期研究奠定坚实基础，微型四轴飞行器是一个前驱动控制系统，非线性参数并且动力时变得特性，所以精确的建模困难，但是通过阅读大量文献查阅相关资料，通过自己的调试确定最适用的方案来达到本设计的目的。
本文将会从下面五点来进行详细的研究：

原文链接：http://www.jxszl.com/dzxx/dzdq/607883.html