基于stm3四旋翼无人机设计7篇

基于stm3四旋翼无人机设计7篇基于stm3四旋翼无人机设计　CHINASCIENCEANDTECHNOLOGYINFORMATION　Aug.2017·中国科技信息2017年第16下面是小编为大家整理的基于stm3四旋翼无人机设计7篇,供大家参考。

篇一：基于stm3四旋翼无人机设计

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　 Aug.2017 ·中国科技信息 2017 年第 16 期- 73 -61 万～ 200 万◎高速公路作为交通现代化的重要标志之一，已经成为国家经济和社会进步以及人民大众生活中的重要基础设施，已经被冠以除高速铁路国家现代化的桥梁之一。随着我国机动车数量迅猛增加和高速公路通车里程的逐年递增，高速公路上因天气、酒驾等发生交通事故数量、事故伤亡人数也相应地逐年递增。根据相关权威调查研究显示，以中国大陆高速公路里程数所占国家公路的总里程数的占比来讲，高速公路总的事故数量、伤亡人数和造成经济破坏的占比远高于其他等级道路。在高速公路上行驶的车辆速度很高，又因为高速路采用全封闭型设计，一旦发生突发性状况，人员总会严重受伤甚至死亡，在过往车辆较大路途，很有可能引发次生事故，并伴有较长时间和较长路段的拥堵。由于恶劣天气时常发生，如雾霾、雨雪、泥石流等恶劣天气造成了高速路发生严重堵车、追尾、关闭甚至是连环相撞等重大交通事故。一旦事故发出，就存在伤亡惨重以及快速清理事故现场和急救的反应能力。而且还需要与高速交警、消防单位、医疗卫生单位等多个单位的协作。目前我国高速公路上较常见的是在一定距离设置固定摄像设备拍照的方式来实施交通状况监控，同时偶尔配合成本极高的太空雷达进行超速拍照，此类摄像设备机动性极差，而且难以满足我国如此大的里程，更不能对中国频发的突发性事故进行全方位实时监控，只能在发生事故后由现场人员使用无线通讯设备通报现场。所以研究一种成本低廉且实用性强的监控设备迫在眉睫。四旋翼无人机是一种可以垂直起降的无人飞机，这也是其最大的优点之一。四旋翼无人机可以在地势险峻的地区飞行，尤其是中国具有众多的盘山公路，系统提前设置好飞行航点，飞行器沿公路上空飞行，直接进入高速公路上空进行监测，同时通过数传传回实时图像，，并且垂直悬停在某一地点上空，对事故易发地区蹲点监控，交警和消防部队人员和设备可以以此为依据进行交通疏导或者救援，因此，研究基于四旋翼无人机的高速公路监控系统具有重要的科学意义。系统总体方案设计项目研究的基于四旋翼无人机的高速公路监控系统可以对往来机动车较多，事故频发的地区进行定点沿途监测，可对自然或人为灾难易发地、山路等地区进行全路段实时监控，通过摄像头视觉掌握有关地区段的交通情况。一旦发生交通事故，控制中心可以及时地掌握事故发生地区、时间和严重程度，以便于快速做出反应，采取相应行动，排除险情或合理地处置事故。本项目设计并开发的监控系统，主要包含了四旋翼无人机本体、遥测信息系统两个主要模块。（1）四旋翼无人机。有效载荷包括控制器、传感设备、摄像设备、数传模块和机载电台。在距公路一定高度的空间飞行，提前设置好自动巡航路线或者由控制人员根据传回图像实时控制飞行，避免障碍物和雾霾影响。

　 （2）遥测信息系统。系统收到无人机传输回来的信息后，经过该系统调理分析后，并且和交管单位网路信息中心、公安网路中心等融合，为指挥中心决策提供信息共享支持。结构如图 1 所示。摄像机固定在四旋翼上，摄像机的位置和姿态通过改变四旋翼无人机的姿态和位移获得。同时对目标区域进行拍摄，拍摄的视频经过数传传回地面站，使监控人员看到检测地点的全面情况，对交通事件进行确认。根据遥测信息系统的反馈，通过 GPRS 模块，向驾驶员发布路况信息。如图 1 是基于四旋翼无人机的高速公路监控系统结构图。四旋翼无人机动力学建模四旋翼是一种具有 4 个电机即四个对称的旋翼，能垂直起降的飞行器。它是通过机架连接同一水平面共四个两组旋翼，正反旋翼，两组旋翼向相反方向旋转，从而抵消机体的扭矩，保持机体稳定，并且通过改变 4 个旋翼的转速即电机行业曲线link industry appraisementpointDOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.16.026可替代度影响力可实现度行业关联度真实度陈  跃1   宋  崎 2   李  志 3   史  良 4沈阳航空航天大学航空航天工程学部陈跃，男，本科，沈阳航空航天大学 航空航天工程学部探测制导与控制技术专业。基金项目：辽宁省大学生创新项目（项目编号：DS501103）高速公路监控系统是用于对高速公路的运行情况进行动态监控的综合管理系统。随着航空技术的不断发展和应用，微小型旋翼机己经成为当今世界航空领域研究的重要方向之一。其中，四旋翼飞行器不但制作成本低廉，在执行特殊科目时人员无伤害，而且具备非常优秀的操作控制性和灵巧性，本文提出一种基于APM2.8自动驾驶仪的四旋翼无人机搭载无线高清摄像头的高速公路监控系统。基于四旋翼无人机飞行器的高速公路监测系统设计2017-16最终.indd

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　 16:00:45网络出版时间：2017-08-11 11:33:27网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2739.N.20170811.1133.052.html

　中国科技信息 2017 年第 16 期· CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION

　 Aug.2017- 74 -◎ 61 万～ 200 万转速来改变升力，进而四旋翼按照预定路径预定高度飞行，由于其重量较轻而且优化的结构，所以升力较大，运动相对灵活，一般是可以在条件较差的空间或复杂地形环境中使用。四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼完全相同，旋翼 1和旋翼 3 是按照逆时针转动，旋翼 2 和旋翼 4 按照顺时针转动，四个无刷电动机对称的安装在飞行器四周，支架中间空间安放有效载荷如飞行控制计算机以及部分外部设备。四旋翼飞行器结构示意图如图 2 所示。飞行器的姿态角的基本框架如图 3 所示。飞行控制系统设计ArduPilotMega 自动驾驶仪（简称 APM 自驾仪）是一款非常优秀而且完全开源的自动驾驶控制器，可应用于固定机翼飞机、小型直升机、多旋翼以及遥控车等，同时还可以配合多款地面站使用。地面站中可以在线升级系统固件、调飞行参数，使用全双工的无线数传系统在地面站与 APM 之间形成一条数据链，此时组成无人机自动控制系统，非常适合个人组建自己的无人机驾驶系统。同时有多种免费地面站可选，包括 Mission Planner ， HK GCS 等，还可以使用手机上的地面站软件，地面站中可实现任务规划，空中参数调整，视频显示，语音合成和查看飞行记录等；地面站的任务规划器支持上百个三维航点的自主飞行设置，并且只需要通过鼠标在地图上点击操作就行；基于强大的 MAVLink 协议，支持双向遥测和实时传输命令；可实现自动起飞，自动降落，航点航线飞行，自动返航等多种自驾仪性能；完整支持 Xplane 和 Flight Gear 半硬件仿真。硬件系统设计（1）电源模块电源模块为该监测系统供电，决定着高速公路监控系统工作时间与效率，其性能的优劣直接影响到监控系统功能的可靠性。本设计选用 Li － Po_3S 电池作为系统电源，输出电压 11.1V，容量为 2100MAH，具有较强的续航力。（2）电机调速系统电机调速系统包括电调和电机。其中电子调速器是通过控制电流来控制电机的转速，又叫做电调（全称英文 Electronic Speed Controller，简称 ESC）。它接受嵌入式单片机的脉宽调制信号，并且生成四个电机需要的高频电信号。（3）姿态测量系统姿态测量系统是设备正常飞行的保障系统。它主要负责检测、快速解算飞行器正常飞行所需的速率、角速度、加速度、海拔高度等，同时反馈给控制器，是闭环飞行控制算法成功实行的前提条件。其中姿态由 APM_V2.8.0 内置的电子陀螺仪测定，高度由 APM_V2.8.0 携带的气压计测定，方向由电子罗盘测定。（4）无线传输模块APM 使用数传进行通信时，需使用支持 MAVLink 协议的全双工数传，普通数传无法使用，可以使用 3DR 数传，在使用 3DR 数传时，MP 的连接波特率为 57600。使用数传连接时，除了不能下载固件外，它与使用USB线基本无异。当 USB 处于连接状态时，数传接口会被自动切断。（5）视频通信系统远程监控现场由 CMOS 摄像头进行图像采集，摄像头由四旋翼无人机通过无刷电机带动的二自由度云台挂载，APM_V2.8.0 负责 C/S 驱动加载、初始化等工作。数据传输回地面使用局域无线网络传输，地面使用 FPV 视频接收观看设备。同时增加三叶草天线，可以增强视频信号。（6）定位模块四旋翼飞行器技术己经非常成熟，目前己经应用于各种监控系统中，即四旋翼通过地面站提前设置航点飞到预定地区、同时悬停在目标区域上空、摄像后并将视频当前位置通过数传传送到接收终端设备上。为了提高设备摄像清晰度以及对指定位置进行监控，需要一款定位精度较大的 GPS 定位模块。本监控系统采用 APM 自驾仪专用定位设备，该模块以 NEO － 6M 为核心，板载 EPPROM 芯片、备份电池、HMC5883 罗盘芯片，定位精度比较高。结束语针对飞行器应用于高速公路监测系统中，给出了所需设计的目标。根据目标要求，对系统进行了设计分析，其中包括：

　（1）提出了设计方案以及总体设计图，其中包括了需要自行设计组装的各子系统；（2）具体阐述了各个子系统的组成和功能；（3）然后分别介绍了主要的子系统以及设备的选型如飞行控制系统等。图 1  基于四旋翼无人机的高速公路监控系统图 2  四旋翼飞行器结构示意图图 3  四旋翼飞行器姿态角框架2017-16最终.indd

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　 Aug.2017 ·中国科技信息 2017 年第 16 期- 15 -信微智库个人简介教育背景邓拓，年龄，20，性别，男，最高学历，高中，学科专业方向，土木工程，职务，学生，所在单位，北方工业大学，微信，dt1063988904，Email，1063988904@qq.com，手机，15650725238，兴趣爱好，篮球，跑步，阅读。邓拓2011—2014：甘肃省环县一中2014—至今：北京市北方工业大学工作经历建议观点1、测量计算软件与 Android 系统的电子产品结合后，将有效的提升测量工作的工作范围，工作效率，工作水平以及工作质量，基于 Android 系统的测量计算软件将可能会在测量行业中得到大量推广，并且逐步取代其他设备。2、对一款软件的开发，不仅仅是做出软件的基本形态，而是要在不断地测试、修改中完善软件，增加软件的实用性。并且跟随社会科技的发展脚步，不断地更新功能，以满足测量人员的实际陈跃，年龄，23，性别，男，最高学历，本科，学科专业方向，探测制导与控制技术，学位，学士学位，所在单位，沈阳航空航天大学，微信，WSM19941218，Email，1370514651@qq.com，手机，18804053370。陈跃个人简介教育背景工作经历2010—2013 ：安徽省宿州二中2013—2017 ：沈阳航空航天大学主要是中小学要加强学生创新能力培养建议观点——- 郎加明《创新的奥秘》当前的社会是一个需要创新的社会，只有不断地发现社会需求，通过创新去满足社会需求是社会进步的最大推动力。P73P75需求3、对于创新来说，方法就是新的世界，最重要的不是知识，而是思路。2017-16最终.indd

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篇二：基于stm3四旋翼无人机设计

旋翼无人机设计与制作毕业论文 四旋翼无人机设计与制作毕业论文

　目

　录 摘

　要 ................................................................................................ 错误! 未定义书签。

　Abstract ................................................................................................... 错误! 未定义书签。

　1

　绪论 ................................................................................................................................ 2

　1.1

　 研究背景及意义 .................................................................................................. 2

　1.2

　国内外四旋翼飞行器的研究现状 ...................................................................... 2

　1.2.1 国外四旋翼飞行器的研究现状 .................................................................. 2

　1.2.2 国内四旋翼飞行器的研究现状 .................................................................. 4

　1.3

　本文研究内容和方法 .......................................................................................... 5

　2

　四旋翼飞行器工作原理 ................................................................................................. 7

　2.1

　四旋翼飞行器的飞行原理 .................................................................................. 7

　2.2

　四旋翼飞行器系统结构 ...................................................................................... 7

　3

　四旋翼飞行器硬件系统设计 ......................................................................................... 9

　3.1

　微惯性组合系统传感器组成 .............................................................................. 9

　3.1.1

　MEMS 陀螺仪传感器 .............................................................................. 9

　3.1.2

　MEMS 加速度计传感器 ........................................................................ 10

　3.1.3

　三轴数字罗盘传感器 ............................................................................. 10

　3.2

　姿态测量系统传感器选型 ................................................................................ 10

　3.3

　电源系统设计 .................................................................................................... 12

　3.4

　其它硬件模块 .................................................................................................... 13

　3.4.1

　无线通信模块 ......................................................................................... 13

　3.4.2

　电机和电机驱动模块 ............................................................................. 14

　3.4.3

　机架和螺旋桨的选型 ............................................................................. 15

　3.4.4

　遥控控制模块 ......................................................................................... 16

　4

　四旋翼飞行器姿态参考系统设计 ............................................................................... 18

　4.1

　姿态参考系统原理 ............................................................................................ 18

　4.2

　传感器信号处理 ................................................................................................ 19

　4.2.1

　加速度传感器信号处理 ......................................................................... 19

　4.2.2

　陀螺仪信号处理 ..................................................................................... 19

　 4.2.3

　电子罗盘信号处理 ................................................................................. 20

　4.3

　坐标系 ................................................................................................................ 20

　4.4

　姿态角定义 ........................................................................................................ 21

　4.5

　四元数姿态解算算法 ........................................................................................ 22

　4.6

　校准载体航向角 ................................................................................................ 30

　5

　四旋翼飞行器系统软件设计 ....................................................................................... 33

　5.1

　系统程序设计 .................................................................................................... 33

　5.1.1

　姿态参考系统软件设计 ......................................................................... 33

　5.1.2

　PID 控制算法设计 .................................................................................. 35

　结论 ..................................................................................................................................... 37

　参 考 文 献 ....................................................................................................................... 39

　 绪论 1.1 研究背景及意义

　 随着 MEMS 传感器、无刷电机、单片机以及锂电池技术的发展，四旋翼飞行器现在已经成为航模界的后起之秀。与固定翼飞行器相比之下四旋翼飞行器具有结构简单，控制起来非常方便，能够垂直起降，成本非常的低、稳定性也高，机动性非常强等特点。在民用可以代替有人机完成一些任务，在军事上有很强的战场生存能力。因此在这些领域应用广泛，如军事侦查、农林业调查、灾害检测、输电线巡查、玩具航模、航拍、气象探测等。四旋翼飞行器的飞行原理虽然简单，但是涉及到的知识面非常的广 [1] ，从机体结构的设计、传感器滤波算法、控制系统的设计和软件的设计都需要理论的支持。本次设计针对四旋翼飞行器姿态控制系统进行更深入的研究，它的研究将推动中国四旋翼飞行器的研究发展，为四旋翼飞行器在环境保护、气象、火灾、侦查追踪等民用和军用领域实现产业化作出突出贡献。廉价并且高性能的飞行器的研究将会拥有巨大的经济效益，能够对我国的科研事业起到巨大的推动作用。

　1.2

　国内外四旋翼飞行器的研究现状 1.2.1 国外四旋翼飞行器的研究现状 目前国外四旋翼飞行器的研究也是主要集中在飞行器姿态控制系统的新的理论的研究,比如：神经元网络控制算法、模糊自适应控制算法等。国外还在四旋翼飞行

　 器的自主飞行以及多机协同运作等方面有很多研究。下面对一些四旋翼飞行器进行简单的介绍：

　首先非常具有代表性的是美国 Draganflyer 公司研发出来的 Draganflyer 系列四旋翼飞行器 [2] ，如图 1.1 所示。这种四旋翼飞行器主要使用碳纤材料制作，因其载重能力强能携带高清摄像机，因此主要用途为航拍。另外还有 Parrot 公司研发的 AR.Drone飞行器也是非常具有代表性，如图 1.2 所示。AR.Drone 可以用手机远程控制，使用MEMS 高精度姿态传感器，并且配备多种传感器和摄像头，使 AR.Drone 可以非常轻松地进行飞行任务 [3] 。

　德国在四旋翼飞行器研究方面也具有较高的水平，德国的 MicroDrones 公司推出的一款四旋翼飞行器 MD4-200 [4] ，如图 1.3 所示。该型号飞行器采用全碳纤工艺制作，负载能力强，而且非常省电。该型号飞行器配备有 GPS 卫星导航系统和摄像设备，能 够 很 轻 松 的 在 室 内 和 室 外 执 行 航 拍 任 务 。

　图 1.1

　DraganflyerX4 四旋翼飞行器

　 图 1.2

　AR.Drone 飞行器

　现在许多科研院所已开始开展四旋翼飞行器相关科研项目，主要是针对四旋翼飞行器系统建模的研究和四旋翼飞行器飞行功能的实现。美国宾夕法尼亚大学 GRASP实验室设计出了一种能够编队飞行的四旋翼无人机飞行器，在这些飞行器上都安装有光源，通过安装在室内墙壁上的摄像头设备进行拍摄，从而确定飞行器的空间位置并且对其进行编队飞行控制操作，如图 1.4 所示。

　麻省理工学院设计的一款可以在室内进行地图测绘，定位和壁障的四旋翼无人飞行器系统，该系统通过激光雷达对周围环境进行测量，而且能够自动生成三维地图数据，并且根据周围的环境进行自主壁障和飞行路径规划，可以用于为危险环境的探测和搜救，如图 1.5 所示。

　图 1.3

　德国 MD4-200 四旋翼飞行器

　 图 1.4

　宾夕法尼亚大学四旋翼编队飞行

　1.2.2 国内四旋翼飞行器的研究现状 现今四旋翼飞行器的研究在国内逐渐发展壮大并且已经形成产业。目前国内己经有许多公司(如 Dj 大疆公司)将四旋翼飞行器应用于商业化，如图 1.6 所示。

　图 1.5

　麻省理工学院四旋翼飞行器

　图 1.6

　大疆四旋翼飞行器

　 目前对四旋翼飞行器的研究主要集中在以下几个方面：

　(1)四旋翼飞行器的姿态控制。四旋翼飞行器研究的最主要技术难点在于对飞行姿态的控制。因其旋翼多，因此四旋翼飞行器比传统的直升机控制起来复杂。目前该

　 领域的研究方向主要集中在飞行器的数学建模、控制算法和滤波算法。目前主要的研究算法有刚体旋转理论、非线性滤波法、四元数、捷联惯导算法、PID 控制算法、模糊自适应控制等。

　(2)适合于四旋翼飞行器的新的传感器技术的发展，国内外逐渐出现了通用的整合于一体的传感器模块，例如 MPU6050 传感器就是把加速度计和陀螺仪集成在一起。

　(3)电机和电池领域的发展。近些年来，无刷电机和空心杯电机的进一步普及和应用于四旋翼飞行器上，四旋翼飞行器的动力得到了很大程度的提高。锂电池和燃料电池的出现和应用大大增加了飞行器的续航能力。

　(4)GPS 的发展。随着卫星定位技术的发展壮大，GPS 也逐渐应用于旋翼飞行器，人们可以不用害怕飞行器故障之后会不会找不到，因为我们可以用 GPS 进行卫星定位，而且还可以设置航点，实现飞行器的自主飞行。

　(5)无线传输模块的发展。现如今无线传输可以应用的范围越来越广泛，蓝牙、WIFI 等无线传输方式越来越被普遍应用到飞行器上，从而实现手机的遥控控制。

　1.3

　本文研究内容和方法 本文研究基于 MEMS 传感器的姿态参考系统，通过对姿态测量传感器数据的分析，设计出了有效去噪的滤波方法；通过大量的查找资料对姿态解算算法和数据融合算法有了更深的理解，最后应用于设计的飞行控制器上实现了姿态角的测量。最后通过大量的实验验证了它们的准确性，实验数据和曲线验证了该姿态参考系统能够稳定的工作，具有很好地工作性能。

　本文一共分为五章，主要内容安排如下：

　第一章绪论部分主要介绍了该项目的研究背景及意义、四旋翼飞行器在国内外的研究现状和发展趋势。

　第二章主要介绍了四旋翼飞行器的飞行原理和系统结构框架。

　第三章详细介绍了四旋翼无人机控制系统的硬件设计的工作。介绍了 MEMS 传感器的原理、特性和型号的选择和硬件电路图。飞行器控制芯片选择 STM32，外围电路包括有姿态测量系统、电源模块、无线通讯、串口通讯、电机驱动、遥控器控制电路、GPS 模块。

　第四章说明了姿态参考系统的核心算法----捷联惯性导航算法的研究和实现过程。

　 第五章针对软件实现部分进行了介绍，给出了编程的软件流程图和串级 PID 控制和定高控制方法。

　最后对本次设计进行了总结，提出了不足之处并对今后的研究工作进行了展望。

　 2

　四旋翼飞行器工作原理 2.1

　四旋翼飞行器的飞行原理 四旋翼飞行器有两种模式，也就是 X 字模式（如图 2.1 所示）和十字模式（如图2.2 所示）。其实这两种模式差别不大，到 X 模式使用广泛，因此我们采用 X 字模式。四旋翼飞行器的四个电机对称分布在各个轴上，并且同一条轴线上电机的旋转方向要保证相同，相邻的电机旋转方向相反 [5] 。如果电机 1、 3 按照逆时针方向旋转的话，电机 2 、4 就要按照顺时针方向旋转，这样做为了克服反扭矩的影响。我们要通过控制 4 个电机的转速来完成飞行器俯仰、横滚、偏航等动作。

　 图 2.1

　X 型四旋翼飞行器模型

　图 2.2

　十字型四旋翼飞行器模型

　2.2

　四旋翼飞行器系统结构 四旋翼无人机采用模块化设计，如图 2.3 所示。分别由控制模块、姿态测量系统、电源供电系统、无线通信模块、GPS 卫星定位系统、遥控器控制模块、电机驱动模块、串口通信模块、地面站系统。

　四旋翼飞行器控制器的核心任务是姿态的测量，它的作用是为飞行器控制系统提供实时、精确的...

篇三：基于stm3四旋翼无人机设计

书控制技术计算机测量与控制 ．２０２１．２９ （ ２ ）

　　犆狅犿狆狌狋犲狉 犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋 牔 犆狅狀狋狉狅犾　　· ７１　·收稿日期：

　２０２０ ０６ １３ ； 　 修回日期：

　２０２０ ０７ ０８ 。基金项目：航空科学基金资助（ ２０１９０５０５３００３ ）；陕西省飞行控制与仿真技术重点实验室资助。作者简介：梁 　 晨（ １９９５ ），男，陕西大荔人，硕士研究生，主要从事无人机控制律算法方向的研究。刘小雄（ １９７３ ），男，陕西周至人，博士，副教授，主要从事飞机飞行控制、无人机导航、制导与轨迹控制方向的研究。引用格式：梁 　 晨，刘小雄，张兴旺，等 ． 基于强化学习的四旋翼无人机控制律设计［ Ｊ ］ ． 计算机测量与控制， ２０２１ ， ２９ （ ２ ）：

　７１ ７５ ， ８６．文章编号：

　１６７１ ４５９８ （ ２０２１ ）

　０２ ００７１ ０５　　ＤＯＩ ：

　１０．１６５２６ ／ ｊ．ｃｎｋｉ．１１－４７６２ ／ ｔｐ．２０２１．０２．０１６　　 中图分类号：

　ＴＰ２７３ 文献标识码：

　Ａ基于强化学习的四旋翼无人机控制律设计梁 　 晨，刘小雄，张兴旺，黄剑雄（西北工业大学 自动化学院，西安 　７１００７２ ）摘要：目前四旋翼无人机大部分都采用经典控制方法进行控制律的设计，然而控制参数的选择和对被控对象数学模型的依赖一直是经典控制方法设计中需要克服的问题；针对此问题，采用了一种基于深度强化学习算法 ＤｅｅｐＱ Ｎｅｔｗｏｒｋ 的无人机控制律设计方法，以四旋翼姿态角和姿态角速率作为三层神经网络的输入数据，最终输出动作值函数，再根据贪婪策略进行动作的选取，通过与环境的不断交互，智能体根据奖惩信息来更新神经网络的权值，使得智能体朝着获得累积回报最大值的方向选取动作；仿真结果表明在经过强化学习训练之后，四旋翼姿态角能够快速准确地跟踪上参考指令的变化，证明了基于强化学习的四旋翼无人机控制律的可行性，从而避免了传统控制方法对控制参数的选择与控制模型的依赖。关键词：强化学习 （ ＲＬ ）；四旋翼无人机；控制律犇犲狊犻犵狀狅犳犆狅狀狋狉狅犾犔犪狑犳狅狉犙狌犪犱狉狅狋狅狉犝犃犞犅犪狊犲犱狅狀犚犲犻狀犳狅狉犮犲犿犲狀狋犔犲犪狉狀犻狀犵ＬｉａｎｇＣｈｅｎ ， ＬｉｕＸｉａｏｘｉｏｎｇ ， ＺｈａｎｇＸｉｎｇｗａｎｇ ， ＨｕａｎｇＪｉａｎｘｉｏｎｇ（ ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ ， ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ， Ｘｉａｎ　７１００７２ ， Ｃｈｉｎａ ）犃犫狊狋狉犪犮狋 ：

　Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ ， ｍｏｓｔｏｆｔｈｅｑｕａｄｒｏｔｏｒＵＡＶｓｕｓｅｔｈｅｃｌａｓｓｉｃｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌａｗ． Ｈｏｗｅｖｅｒ ， ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｈｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｎｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｏｂｊｅｃｔｈａｖｅａｌｗａｙｓｂｅｅｎｐｒｏｂｌｅｍｓｔｈａｔｎｅｅｄｔｏｂｅｏｖｅｒｃｏｍｅｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｌａｓｓｉｃｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ．Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ ， ａｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆＵＡＶｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｂａｓｅｄｏｎｄｅｅｐｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｌｅａｒｎｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍＤｅｅｐＱＮｅｔｗｏｒｋｉｓａｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｅｑｕａｄｒｏｔｏｒａｔｔｉｔｕｄｅａｎｇｌｅａｎｄａｔｔｉｔｕｄｅａｎｇｌｅｒａｔｅａｒｅｕｓｅｄａｓｔｈｅｉｎｐｕｔｄａｔａｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｌａｙｅｒｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋ ， ａｎｄｆｉｎａｌｌｙｔｈｅａｃｔｉｏｎｖａｌｕｅｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｏｕｔｐｕｔ．Ｔｈｅｎ ， ｔｈｅａｃｔｉｏｎｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｇｒｅｅｄｙｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ， ｔｈｅａｇｅｎｔｕｐｄａｔｅｓｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｗａｒｄａｎｄｐｕｎｉｓｈｍｅｎｔｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ， ｓｏｔｈａｔｔｈｅａｇｅｎｔｓｅｌｅｃｔｓｔｈｅａｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｏｂｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｒｅｔｕｒｎ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｆｔｅｒｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｌｅａｒｎｉｎｇｔｒａｉｎｉｎｇ ， ｔｈｅｑｕａｄｒｏｔｏｒａｔｔｉｔｕｄｅａｎｇｌｅｃａｎｑｕｉｃｋｌｙａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙｔｒａｃｋｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｃｏｍｍａｎｄ ， ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｅｓｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｑｕａｄｒｏｔｏｒＵＡＶｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｂａｓｅｄｏｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｌｅａｒｎｉｎｇ ， ｔｈｕｓａｖｏｉｄｉｎｇｔｈｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓｏｎｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｌ．犓犲狔狑狅狉犱狊 ：

　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｌｅａｒｎｉｎｇ ； ｑｕａｄｒｏｔｏｒｄｒｏｎｅ ； ｃｏｎｔｒｏｌｌａｗ０　 引言近些年来随着科技的提升，旋翼无人机行业发展迅猛，应用场景越来越广阔，由于四旋翼具有可垂直起降、低成本和结构简单的特性，因此在公共安全、民用航拍、消防急救、农业植保以及军事领域具有十分广泛的用途。目前四旋翼无人机正在朝着易携带、多功能和更加安全高效的方向发展。由于四旋翼是典型欠驱动非线性强耦合系统 ［１ ］ ，四旋翼的速度和位置控制都依赖于姿态的控制，因此四旋翼的姿态控制一直是研究的热点之一 ［２４ ］ 。然而四旋翼在飞行过程中容易受到环境的干扰，旋翼桨叶之间的气动干扰，存在电机快速旋转时产生的陀螺力矩以及旋翼质量分布不均等问题，这使得对四旋翼的精确建模尤为困难，从而导致依赖精确建模的传统控制算法 ［５ ］ 难以达到控制要求。强化学习又称为增强学习，自从 ２０ 世纪初便被提出来了，经过将近一个多世纪的发展，强化学习与心理学、智能控制、优化理论、计算智能、认知科学等学科有着密切的联系，是一个典型的多学科交叉领域。近些年来，得益于高速计算机、深度学习以及大数据技术的发展，强化学习得到了越来越广泛的关注，尤其是深度强化学习技术，被学术界认为是最有可能实现人工智能的算法，已经成为最受学者们关注的前沿技术之一。２０１６ 年 ＡｌｐｈａＧｏ 成功战胜了人类顶级棋手，使得深度强化学习得到了广泛的关注，之后的 ＡｌｐｈａＧｏＺｅｒｏ ，更是使得强化学习技术成为人工智能领域最热门的技术之一。强化学习技术不仅在博弈类游戏上取得了巨大成功，而且在控制领域也已有了新的突破，如在两轮车的控制 ［６ ］ 、倒　投稿网址：

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　　　计算机测量与控制 　 第 ２９卷 · ７２　·立摆的控制 ［７ ］ 上均取得了较好的进展。本文提出一种将强化学习 ［８ ］ 与神经网络结合起来的端到端的控制方法，该方法只关心系统的输入输出，不关心系统内部过程，通过智能体与环境的不断交互，反馈奖惩信息来优化控制参数，从而避免了对四旋翼进行精确建模等问题。该方法输入为姿态角与姿态角速率，经过神经网络，计算出四旋翼的动作值函数，再通过贪婪策略对动作进行选取，得到四旋翼各个桨叶的拉力。通过强化学习的方法对神经网络进行训练，最终使得神经网络可以收敛。最终通过在强化学习算法工具包 ＯｐｅｎＡＩＧｙｍ 中建立四旋翼的模型，用本文设计的控制算法对该模型进行仿真控制，结果证明了该算法的有效性。１　 四旋翼动力学模型的建立如图 １ 所示，本文对 “ Ｘ ”型结构的四旋翼进行动力学模型的建立。在惯性系中应用牛顿第二定律，可得四旋翼飞行器在合外力 犉 作用下的线运动和合外力矩 犕 作用下的角运动方程：图 １　 四旋翼结构图∑ 犉 ＝ｄｄ 狋 （犿犞 ）∑ 犕＝ｄｄ 狋 （犔烅烄烆）（１ ）通过对桨叶动力学模型的分析和电机模型的建立，可以求得桨叶产生的力矩、旋翼惯性反扭力矩以及陀螺效应力矩。根据机体系与地面系的旋转关系可求得欧拉角速率与机体三轴角速率的关系：φ ＝ 狆 ＋ （狇 ｓｉｎ φ ＿ 狉 ｃｏｓ φ ）

　ｔａｎ θθ ＝ 狇 ｃｏｓ φ － 狉 ｓｉｎ φ 　ψ ＝ 狇ｓｉｎφ ＋ 狉ｃｏｓφｃｏｓ烅烄烆 θ（２ ）　　 当四旋翼姿态变化很小时，通过求解式 （ １ ），得到四旋翼飞行器的角运动方程：¨φ ＝１犐 狓［犝 φ ＋ 犑 狉θΩ 犌 ＋ （ 犐 狔 － 犐 狕 ）θψ ］¨θ ＝１犐 狔［犝 θ ＋ 犑 狉φ Ω 犌 ＋ （犐 狕 － 犐 狓 ）φψ ］¨ψ ＝１犐 狕［犝 φ ＋ （ 犐 狓 － 犐 狔 ）φθ烅烄烆］（３ ）　　 其中：

　φ 、 θ 、ψ 为滚转角、俯仰角、偏航角； 狆 、狇 、 狉 为滚转角速率、俯仰角速率、偏航角速率； 犐狓 、 犐 狔 、 犐 狕 分别为四旋翼飞行器绕 狓 、 狔 、 狕 轴的转动惯量， 犑狉 为每个桨叶的转动惯量； Ω 犌 为陀螺力矩转速；根据图 １ 的四旋翼结构，定义 犝 犜 、犝 φ 、 犝 θ 、 犝 ψ 分别为四旋翼高度、滚转通道、俯仰通道以及偏航通道的控制输入，犉 １ 、 犉 ２ 、 犉 ３ 、 犉 ４ 分别为 ４ 个桨叶提供的拉力，则有：犝 犜犝 φ犝 θ犝熿燀燄燅ψ＝１ １ １ １－ 犱 犱 犱 － 犱犱 犱 － 犱 － 犱犆 犕犆 犜－ 犆犕犆 犜犆 犕犆 犜－ 犆犕犆熿燀燄燅犜犉 １犉 ２犉 ３犉熿燀燄燅４（４ ）　　 其中：

　犱 表示旋翼转轴到 狓 轴或 狔 轴的距离； 犆 犕 为反扭力矩系数， 犆 犜 为升力系数。２　 基于强化学习的四旋翼姿态控制结构图 ２ 为强化学习的基本图，强化学习是通过智能体与环境的不断交互来更新控制策略的。一开始，智能体随机选择一个动作 Ａ 作用于环境，环境模型通过该动作使得整个系统达到一个新的状态，并且通过回报函数给智能体一个反馈。这样不断循环下去，智能体与环境持续地交互，从而产生更多的数据样本。智能体根据与环境交互而产生的数据样本来改变自身的动作选择策略。通过不断地试错，智能体最终会学到一个最优的策略。图 ２　 强化学习基本框图从强化学习的基本原理中我们可以看出来，强化学习与监督学习和非监督学习有一些本质上的区别。如传统的监督学习中，数据样本是一些带有标签的静止训练集，只要样本数据之间的差异足够明显，就能够训练一个不错的模型。而强化学习则是一个连续决策的过程，在强化学习中，智能体没有直接的指导信息，而是通过环境反馈的立即回报来修正自身的策略，智能体需要不断地与环境进行交互从而实时地获取训练数据，通过这种试错的方式来获得最佳的策略。本文采用基于值函数逼近的无模型强化学习算法 ＤｅｅｐＱ－Ｎｅｔｗｏｒｋ［ ９ ］ 来对四旋翼姿态进行控制。

　ＤＱＮ 算法是在Ｑ－Ｌｅａｒｎｉｎｇ 算法的基础上进行的改进，在 Ｑ－Ｌｅａｒｎｉｎｇ 算法中，维护一张表 Ｑ－Ｔａｂｌｅ 它的每一列代表一个动作，每一行代表一个状态，这张表记录了每个状态下采取不同动作所获得的最大长期奖励期望，通过这张表就可以知道每一步的最佳动作是什么。但是在状态空间维度十分庞大甚至连续时， Ｑ－Ｔａｂｌｅ 不能存储下所有的状态，因此 ＤｅｅｐＭｉｎｄ 对 Ｑ－Ｌｅａｒｎｉｎｇ 进行了改进，便得到了 ＤＱＮ 算法，其改进主要体现在以下几个方面：１ ）

　ＤＱＮ 利用卷积神经网络进行值函数的逼近；２ ）

　ＤＱＮ 利用了经验回放训练强化学习的学习过程；　投稿网址：

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　第 ２ 期 梁 　 晨，等：基于强化学习的四旋翼无人机控制律设计 · ７３　·３ ）

　ＤＱＮ 中独立设置了目标网络来单独处理时间差分算法中的 ＴＤ 偏差。ＤＱＮ 算法流程如图 ３ 所示，在 ＤＱＮ 算法中，有几个比较重要的环节：环境、当前值网络与目标值网络、动作库、经验池以及回报函数。环境模型在上一节中已经建立，其余的将在本节进行建立。图 ３　ＤＱＮ 算法流程１ ）动作库：本文中动作库是俯仰、滚转、偏航三通道的控制量 犝 φ 、 犝 θ 、 犝 ψ 。２ ）值函数神经网络：在 ＤＱＮ 中，存在两个结构完全相同的逼近值函数的神经网络：一个是当前值函数神经网络，另一个是目标值函数神经网络。当前值函数与目标值函数的差作为部分依据修正神经网络的参数，当前值函数神经网络每一步都更新，而目标值函数神经网络每隔一定的步数更新。本文采用三层 ＢＰ 神经网络作为值函数神经网络，输入维度为 ２ ，对应单个通道的角度与角速率，输出维度对应单个通道的动作库维度。网络参数的更新如下所示：θ 狋 ＋１ ＝ θ 狋 ＋ α ［ 狉 ＋ γ ｍａｘ犪′犙 （ 狊′ ， 犪′ ； θ－ ）－　 犙 （ 狊 ， 犪 ； θ ）］·  犙 （ 狊 ， 犪 ； θ ）（５ ）　　 其中：

　θ 为网络参数； α 为学习速率； 狉 为立即回报； γ 为折扣因子； 狊 和 犪 分别为状态与动作。３ ）经验池：由于强化学习是建立在马尔科夫决策过程的基础上的，因此通过强化学习得到的样本数据之间存在着相关性，而神经网络的前提是样本之间独立同分布。基于此，建立一个经验池，将通过强化学习得到的数据存在经验池中，训练时从经验池中随机均匀采取一些样本进行训练，以此来打破数据样本之间存在的相关性。４ ）回报函数：本文研究内容是四旋翼的姿态控制，以滚转角 φ 单通道为例，设计回报函数如下：狉 ＝－ （ Δφ ）２ －０．１× φ２（６ ）　　 当角度偏差或角速度比较大时，对智能体惩罚比较大，反之则惩罚较小。强化学习会对智能体朝着使得累积回报最大的方向进行训练。３　 四旋翼姿态控制律设计基于以上分析，设计基于无模型强化学习算法 ＤＱＮ 的四旋翼控制律，模型参数如表 １ 所示。表 １　 模型参数参数 数值 单位犿 １．２３５ｋｇ犱 ０．１５９１ ｍ犐 狓 １６．０×１０－３ｋｇ／ ｍ２犐 狔 １６．０×１０－３ｋｇ／ ｍ２犐 狕 ３２．０×１０－３ｋｇ／ ｍ２犑 ５．６９５３×１０－５ｋｇ／ ｍ２犆 犜 ３．１３×１０－５Ｎ ／ ｓ２犆 犕 ６．０×１０－５Ｎ ／ ｓ２具体设计如下：四旋翼姿态控制中，一共有 ６ 个状态量，分别是 （φ ，θ ，ψ ，φ ，θ ，ψ ），因此在 ＤＱＮ 中，神经网络的输入也是 ６ 个维度。根据前文四旋翼的建模可知，四旋翼的控制输入有油门、滚转、俯仰以及偏航 ４ 个通道，由于油门通道对姿态的变化不产生影响，因此在姿态的控制中不考虑油门通道。通过在 Ｍａｔｌａｂ 中对该模型进行仿真得到的数据可知，该模型滚转、俯仰、偏航 ３ 个通道的控制量取值范围分别为 （ －１．０ ， １．０ ）、（ －１．０ ， １．０ ）以及（ －０．８ ， ０．８ ），因此在本实验中，将每个通道的取值范围进行 ２０ 等分作为 ３ 个通道的动作库。同时为了降低训练时间，实验中将分别对 ３ 个通道单独进行控制律设计，最终通过式 （ ４ ）反解出 犉 ，从而达到控制四旋翼的目的。由于三通道的控制律结构一致，因此以下仅以滚转通道为例进行介绍。依据第二章四旋翼姿态控制结构，需要建立两个结构相同但参数不同的神经网络，即目标网络和现实网络，定义目标网络的参数为 θ－ ，现实网络的参数为 θ 。本文采用三层 ＢＰ 神经网络对值函数进行拟合，神经网络输入层有两个神经元，分别为俯仰角偏差与俯仰角速率；隐藏层有 １０ 个神经元；输出层有 ２０ 个神经元，对应俯仰通道的动作值函数。设置经验池大小为 ５０００ ，经验池中每一个样本存储智能体的上一步状态 狊狋 、当前状态 狊 狋 ＋１ 、环境给予的立即回报 狉以及在当前状态下所选取的动作 犪 ，当样本数据大于 ５０００时，可以认为前面的数据已经不具备参考价值，删除掉最早的数据。图 ４　 经验池规定每次训练时从经验池中随机均匀抽取 ５０ 条样本进行训练。因为训练时系统使用 ε 贪婪策略进行动作的选取，所以为使系统一开始具备较强的探索能力，尽最大可能探索到范围以内的所有状态，不至于收敛到局部最优，实验　投稿网址：

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　　　计算机测量与控制 　 第 ２９卷 · ７４　·中将 ε 贪婪值初始化为 ０ ，每隔 １０００ 步，贪婪值增加 ０．０１ ，最大增加到 ０．９５ 。在实验中，给定初始角度偏差为 ５° ，同时初始化角速度为 ０° ／ ｓ ，开始训练智能体。训练采取回合制，为防止智能体收敛到局部最优，为每一个回合设定最大仿真步数，当角度偏差超过设定范围或者本回合步数超过最大步数时，本回合结束，开始下一回合训练。实验中，对仿真回合不做限制，但是每一个回合将输出损失与参数模型，实验中可以随时终止训练并将模型导出。综上所述，以贪婪策略作为滚转通道控制量的选取策略，即滚转通道控制量取值为值函数中值最大的元素所对应的动作，即：犝 φ ＝ａｒｇｍａｘ犪犙 （ 狊 ， 犪 ； θ ）（７ ）４　 仿真结果与分析根据第 ３ 小节所描述的实验方法进行实验，仿真步骤如下所示：１ ）初始化一些必要的参数，如动作库、贪婪值、初始角度偏差、经验池大小、每次训练所采的样本数等；２ ）开始训练，训练时动作的选取采用 ε 贪婪策略。每回合训练时输出损失与参数模型，当损失达到一定要求之后，停止训练，保存参数模型。对俯仰、滚转、偏航通道分别进行如上所示的训练并保存好参数模型；３ ）将参数模型输入到最终的仿真模型中，并通过式 （ ４ ）反解出每个电机的拉力，从而实现对四旋翼的姿态控制。仿真电脑 ＣＰＵ 为 Ｉｎｔｅｌｉ５－７５００ ，内存 ８．００ＧＢ ，在ｕｂｕｎｔｕ１６．０４ 系统下，采用 ＯｐｅｎＡＩＧｙｍ 工具包进行仿真，训练效果如图 ５ 所示。图 ５　 损失函数曲线从损失函数曲线中可以看出，在强化学习的训练下，神经...

篇四：基于stm3四旋翼无人机设计

18 年 21 期 研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application四旋翼无人机的组成及各部分功能董明飞，侯 恭，康立鹏，孟瑞锋*（内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051）1 绪论1.1 研究背景及意义四旋翼无人机越来越多的进入人们的生活当中，比起传统的直升机，四旋翼无人机具备造价低廉，小巧灵活的优点。四旋翼能够节约资源，且便于携带，能进入更多的狭小空间采集所需数据。所以四旋翼常用来进行航拍，监控，地形勘测等。因而，四旋翼无人机的研究是现今发展的趋势之一。1.2 本文主要研究内容对于四旋翼无人机的组成及各部分的功能，本文介绍的主要内容如下：第一章为绪论，主要介绍四旋翼无人机的研究背景及意义。第二章主要介绍四旋翼无人机飞行器的硬件，硬件包括遥控器与四旋翼飞行器两大部分。第三章为 STM32 芯片介绍及 PID 算法的简介。第四章为总括与展望。总结本文的基本内容及不足之处并展望未来四旋翼无人机的研究重点与方向。2 四旋翼无人机飞行器的硬件2.1 四旋翼无人机遥控器目前市场上对于四旋翼来说，控制方式主要有两种：传统的航模遥控器、蓝牙/WIFI 等遥控器。相比较于蓝牙/WIFI 而言，传统的用于航模遥控器操作手感更好，有效范围更远。但是随着智能硬件的盛行，现在也有很多使用蓝牙/WIFI 等通信作为遥控器。本文主要介绍传统的航模遥控器。传统的航模遥控器都使用 2.4G 遥控器，其中著名的品牌包括天地飞、JR、Futaba 等。以上这些遥控器的优点是控制距离远、可靠性高、操作简单、姿态调节稳定。因为四旋翼共有八种比较基本的运动状态（上升、下降、左旋、右旋、左飞、右飞、前飞、后飞），因此至少需要一个四通道的遥控器来控制四旋翼的姿态。2.2 四旋翼飞行器介绍四旋翼无人机还包括机架、动力系统及控制系统。机架由机身、机臂、起落架构成。机身是用来承载四旋翼所有设备的平台，从一定程度上来讲，四旋翼的安全性、稳定性都与机身密不可分。因此在选用四旋翼机身时要综合考虑机身的尺寸、材料、形状、重量、强度等因素。机臂决定了四旋翼的轴距，轴距是用来衡量四旋翼尺寸的重要参数，通常被定义为电机轴围成的外接圆周的直径。通常情况下，轴距即为对角线上的两电机轴心的距离。轴距的大小限定了螺旋桨的尺寸上限，从而限定了螺旋桨能产生的最大拉力，进而决定了四旋翼的载重能力 [1] 。起落架功能包括支撑四旋翼的起飞与降落、保持机身的水平平衡、保证四旋翼与地面有足够的距离避免螺旋桨与地面发生碰撞、减小起飞和降落时螺旋桨气流冲击地面产生的气流干扰。动力系统是四旋翼最主要的组成部分，动力系统的好坏决定了四旋翼主要性能的优劣，如承重能力、飞行速度、飞行距离、悬停时间及飞行稳定性。动力系统的选择要相互兼容，否则会使四旋翼无法正常工作。螺旋桨是直接产生力和力矩的器件，合理匹配螺旋桨可以使电机工作更加高效稳定。选择合适的螺旋桨是提高四旋翼无人机性能的一种最直接的方法。一般来说，螺旋桨型号由 4 位数字组成，如“1045”，前两位代表螺旋桨的直径，后两位代表螺摘 要：文章主要研究四旋翼无人机的组成及其各部分的功能。四旋翼无人机具有造价低廉，小巧灵活的特点。整个四旋翼无人机由遥控器，四旋翼飞行器两部分组成。飞行控制芯片以 STM32 芯片为核心，控制算法采用 PID 算法，从而实现四旋翼无人机的安全稳定飞行。关键词：四旋翼无人机；STM32；PID 算法中图分类号：V279 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）21-0085-02Abstract：

　This paper mainly studies the composition and the functions of each part of the four-rotor unmanned aerial vehicle（UAV）. The four-rotor unmanned aerial vehicle has the characteristics of low cost, small and flexible. The whole four-rotor UAV iscomposed of a remote control and a four-rotor aircraft. The core of the flight control chip is STM32 chip and the control algorithmis PID algorithm, which realizes the safe and stable flight of the four-rotor unmanned aerial vehicle.Keywords：

　four-rotor unmanned aerial vehicle （UAV）; STM32; PID algorithm作者简介：董明飞（ 1994- ），男，内蒙古武川县人，在读硕士研究生，研究方向：自动控制技术。* 通讯作者：孟瑞锋（ 1980 ， 12- ），男，汉族，内蒙古呼和浩特市，博士，副教授，研究方向：智能算法在降维和控制系统中的应用研究。85 - -万方数据

　2018 年 21 期 研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application距。螺距定义为扭转一圈螺旋桨进步的间隔。四旋翼大多选用无刷电机，无刷电机在扭力，转速方面都有比较良好的特性。无刷电机具体大小反映在型号命名上，例如 2212电机，其含义为直径为 22mm，转子高度为 12mm。一般来说越大的电机其转速和扭力越大。无刷电机 KV 值定义为“转速/V”，意思是当输入电压每增加 1V 时，无刷电机空转转速增加的转速值大小 [2] 。其中，KV 值越大，转速越大，但扭力越小。KV 值小则相反。电调的基本功能是接受 PWM信号来控制电机的转速，电调通过对信号进行处理和放大来驱动电机。无刷电调同时还可以把直流电源转化为三项电源来给无刷电机使用。最大持续电流和峰值电流是无刷电机最重要的参数，常用的有 10A、20A、30A。不同的电机需要装配不同的电调。电池是四旋翼的动力来源。电池的基本参数包括电压、容量、内阻和放电倍率。航模专用电池为锂聚合物电池（LiPo 电池），单节电池的标准电压是3.7V，充满电可达 4.2V。如选用型号为 2200mAh 3S11.1V 25C 的电池，其含义为：电池电流为 2200mA·h，电压为 11.1V，3S 表示三个锂电池串联在一起，25C 是放电倍率，2200mA·h 25C，放电就是 2.2A×25=55A。3 STM32 芯片及 PID 算法简介飞控板是四旋翼无人机的核心设备，目前，主要的飞行控制板有零度飞控板、玉兔飞控板、MWC 飞控板、APM飞控板、NAZA（哪吒）飞控板等。世界著名半导体公司意大利方法半导体公司研制的 STM 32 系列单片机是高性能单片机的杰出代表 [3] 。本设计中采用 STM32 中的 STM32F767作为主控芯片。STM32F767 由底板和核心板两部分组成。四旋翼选择 F767 作为主控芯片主要是因为其接口与资源丰富，板子提供数十种标准接口，可以方便的进行各种外设的实验和开发并且板载高性能音频编解码芯片、九轴传感器、百兆网卡、光环境传感器以及各种接口芯片，满足各种应用需求。四旋翼在飞行过程中需要及时调整各个电机的转速来使四旋翼的实际姿态逼近理想姿态。PID 控制器便是实现这个目的的控制器。其一般控制规律为：u（t）=K p e（t）+ 1T It0∫e（t）+T D de（t）dt[ ]（1）四旋翼的偏航角、俯仰角、滚转角理论上相互独立，所以对四旋翼的姿态控制可分为三个相互独立的控制。以其中一个角为例，其它角相同，在“X”飞行模式下的 PID 控制过程如图 1 所示。4 结束语通过对四旋翼的组成及各部分功能的学习，了解了四旋翼的基本组成，但本文研究不够深入，只是给初学者与电子爱好者的一些参考，是为以后的深入学习打下基础。目前对四旋翼的钻研主要集中在 3 个方面：基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方案。参考文献：[1]全权.多旋翼飞行器设计与控制[M].北京：电子工业出版社，2018：30-31.[2]黄和悦.DIY 四轴飞行器[M].北京：电子工业出版社，2015：18.[3]冯新宇，范红刚，辛亮.四旋翼无人飞行器设计[M].北京：清华大学出版社，2017：32-34.[4]王身丽，黄力，候金华，等.基于多旋翼无人机的复合绝缘子检测平台研究[J].科技创新与应用，2018（06）：10-11+14.[5]丁承君，何乃晨.基于 FMRLC 的四旋翼无人机姿态控制研究[J].科技创新与应用，2017（10）：65.图 1 四旋翼无人机俯仰角 PID 控制基本结构86 - -万方数据

篇五：基于stm3四旋翼无人机设计

基于 2 stm32 的四旋翼无人机的设计 —— 飞行控制系统软件设计

　摘

　要

　四旋翼无人机是是一种稳定性强、结构简单的无人机。本次设计是以STM32F103C8T6 为核心，以 MPU6050 作为飞行姿态感应模块，采用卡拉曼算法、四元数姿态解算、PID 控制算法软硬结合的方式来研究并制作四旋翼无人机。本文在通过大量文献查阅的基础上，讲述了四旋翼无人机发展历程以及国内外的发展概况，简述了无人机的结构及基本原理、硬件部分的设计与选择。详细论述了软件部分的设计与算法的实现。经过大量调试，最终制作出可以稳定飞行的无人机。实际操作表明，该设计具有性能稳定，易于操控等优点，达到了设计要求。

　关键词：四旋翼无人机，四元数姿态解算，PID 控制算法，卡拉曼算法

　 Design of Four- - rotor UAV Based on stm32

　Abstract

　The four-rotor UAV is a kind of UAV with strong stability and simple structure. This design takes the STM32F103C8T6 as the core, takes the MPU6050 as the flight attitude sensing module, uses the Kalman Filter Algorithm, the quaternion attitude computation, the PID control algorithm soft and hard union way to study and manufacture the four-rotor UAV. On the basis of a large number of references, this paper describes the development course of the four-rotor UAV and the development situation at home and abroad, and briefly describes the structure and basic principle of the UAV, the design and selection of the hardware part.The design of software and the realization of algorithm are discussed in detail. After a lot of debugging, the UAV can be made to fly stably. Practical operation shows that the design has stable performance and is easy to control

　and other advantages, to meet the design requirements.

　Key words：The four-rotor UAV,quaternion attitude computation,PID control algorithm,Kalman Filter Algorithm 目 录 1 前言 ...................................................................... 2 1.1 四旋翼无人机设计的目的、意义及应达到的技术要求 ......................... 3 1.1.1 四旋翼无人机设计的目的及意义 ....................................... 3 1.1.2 四旋翼无人机的技术要求 ............................................. 3

　 2 1.2 四旋翼无人机的发展历程概况 ............................................. 3 1.3 四旋翼无人机简介及前景 ................................................. 5 1.4 四旋翼无人机设计应解决的主要问题 ....................................... 6 2 四旋翼无人机设计总体思路 ................................................... 6 2.1 软件设计的思路 ......................................................... 6 2.2 方案选择 ............................................................... 7 2.3 研究方法 ............................................................... 7 3 四旋翼无人机的结构与运动姿态 ............................................... 7 3.1 无人机的结构 ........................................................... 7 3.2 四旋翼无人机的运动姿态 ................................................. 8 4 飞行控制系统硬件设计 ....................................................... 9 4.1 主控制器 ............................................................... 9 4.2 传感器模块 ............................................................ 10 4.3 电机驱动 .............................................................. 10 4.4 电源电路 .............................................................. 10 5 软件设计总体思路 .......................................................... 11 5.1 MPU6050 六轴数据获取 .................................................. 12 5.1.1

　IIC 的使用 ....................................................... 12 5.1.2

　读取 MPU6050 ..................................................... 12 5.1.3

　具体程序解析 ..................................................... 12 5.2

　卡尔曼滤波 ........................................................... 13 5.2.1 滤波的作用 ........................................................ 13 5.2.2 具体程序解析 ...................................................... 13 5.3 无人机姿态描述 ........................................................ 14 5.4 四元数姿态解算 ........................................................ 16 5.5 姿态控制 .............................................................. 18 5.5.1 PID 的简单介绍 .................................................... 18 5.5.2 PID 参数整定 ...................................................... 19 5.5.3 四旋翼无人机的姿态控制 ............................................ 19 5.5.4 PID 调节顺序及具体程序解析 ........................................ 19 5.6 PWM 控制输出 ............................................................ 20 5.6.1 PWM 简介 .......................................................... 20 5.6.2 PWM 对电机的控制简述 .............................................. 21 6 系统调试与飞行测试 ........................................................ 21 7 总结 ..................................................................... 22 参考文献.................................................................... 22 谢 辞 ....................................................... 错误! ! 未定义书签。

　附 录 ...................................................................... 23 1 前言

　四旋翼无人机亦称四旋翼直升机。它是指没有人员在机体内，可遥控的一种机体。四旋翼无人机具有四个独立的电机结构，运用现代的控制技术可实现操控，应用领域十分广泛。它与单旋翼直升机相比，具有低成本、体积小、高性能、构

　 3 造独特等特点。随着计算机和通讯的迅猛发展，机械电子的优化升级，无人机成为当下的一个研究热点。四旋翼无人机具有低成本、体积小、高性能等特点，被广泛应用于各个领域。

　本文将对基于 STM32 的四旋翼无人机进行全面简述，并对它的历史进行了概括论述，通过讲述无人机的特点，从而把控它现在以及未来的趋势。简述了机体飞行原理以及硬件设计，并着重论述程序及控制算法的演算比如通过惯性导航引出四元数算法，由浅入深的解释卡尔曼原理，最后通过制作实物验证设计的合理性。

　1.1

　四旋翼无人机设计的目的、意义及应达到的技术要求

　1.1.1 四旋翼无人机设计的目的及意义

　设计并做出一架四旋翼无人机，旨在通过设计和动手组装调试的过程，提高对嵌入式的深层理解，提高对机电一体的设计能力，了解惯性导航高科技领域，体会算法的优美之处。通过多人协作的方式，提高团队项目的建设能力以及团队合作研发能力。通过对课题研究这一过程，做到了理论与实践相结合，不仅提高理论水平，也提高了自身的实践水平。

　同时，这架无人机的制作，将深入探讨无人机姿态的控制，在软件部分，将以笔者的学习经验对算法进行论述和推导，希望可以给到读者一定的启发，做到一点补充的作用。并且四旋翼无人机是当今的一大热点，它的用途十分广泛，通过这次设计也能对此领域进行初步的探索。

　1.1.2 四旋翼无人机的技术要求

　四旋翼无人机可以分成硬件系统设计，软件系统设计，机体结构设计以及机体的信号处理。基本要求是无人机可以实现稳定飞行，由上位机控制做到左右飞行，上下油门，水平旋转等功能。笔者主要负责软件系统设计，在实现飞行控制的前提下，尽可能去除冗余，提高软件代码的效率。同时考虑通过 PID 参数整定提高无人机的安全性及可靠性。

　1.2

　四旋翼无人机的发展历程概况

　1907 年，第一架四旋翼无人机被制造出来，但是由于稳定性的问题，飞行效果并不是很好，尽管如此，这次的尝试对于现代四旋翼无人机的发展起到了很大的作用。它的发明人则是来自法国的一对兄弟。

　 4

　图 1.1 法国第一架四旋翼直升机 到了上世纪 20 年代初，美国人发明了世界上第一台大型四旋翼无人机。之后，美国人又专门成立了飞行器小组，进行了三年的深入研究。于是，Oemichen四旋翼直升机诞生了。它的主要成果是可以垂直飞行，高度达到 1000 米，在当时这个飞行高度可以说是举世震惊。此后的一段时间，人们又做了许多的尝试，遗憾的是稳定性的提高成为桎梏。即使在军工领域上无人机做到了相对稳定，也达不到相应的速度和高度的要求，因此对四旋翼无人机的研究一直没取得什么重大的进展。

　图 1.2 Oemichen 四旋翼直升机

　随着微机电系统的不断研究和发展，惯性导航系统有着十分轻巧等特点，在1990 年初，它很快被研究者开发使用。这为无人机的自动控制奠定了基础。此时，多旋翼无人机主要是玩具的形式进行发展。90 年代初，美国工程师 M.Dammar经过长时间的设计打磨，最终通过自己的努力开发了四旋翼 Roswell Flyer，这款机器的特点之一便是用电池发电，后来他选择与加拿大 Dragonflyer 公司合作，将产品销售出去。之后，MEMS 惯导系统虽然广泛应用，但是其传感器的噪声很大，于是人们又用了很长时间来研究降噪和飞行姿态控制算法。终于，德国在2005 年制作出了 MD4-200，它可以实现自主悬停并且做到了真正稳定，这在当时是可谓是一枝独秀。而多旋翼无人机的商用飞行，也是在 2004 年才刚刚开始。这个时候，大疆也还只是陪跑者。此后，许多国家也都制作出了搭载高清摄像机、一键起飞、自动悬停等功能的无人机。

　 5

　 图 1.3 四旋翼 Roswell Flyer 一个传感器进行检测数值常常不够稳定和精确，而伴随着 MEMS 惯性传感器、加速计、陀螺仪、地磁传感器等的兴起，制作者们有了更好的选择，用多轴惯性传感器不仅成本再次降低，而且检测也更为准确。此外 WiFi 等通信芯片可以很好的控制和传输图像信息，完全满足传输的需求。而且，GPS 的重量仅有几克。同时，电池的进一步升级，使得无人机的续航时间可以达到 15 分钟甚至更高。这些零部件的升级使得多旋翼无人机拥有了更广阔的天地去发展。

　2012 年初，大疆创新推出了世界上第一款到手即飞的精灵 Phantom 一体机，这款无人机在出厂前就完成了测试，操作门槛降低，同时它的价格也能被大众接受，彻底改变了多旋翼无人机的市场。至此，大疆一战成名，中国国内的研究也开始进入其它国家的眼中。2014 年 11 月，是大疆颇为有纪念意义的一年，这个月公司发布了 Inspire 1，这款产品第一次做到了将远距离的高清数字图传应用到了无人机上，同时，这款无人机还带有独立云台控制，并且搭载高清摄像头。这款产品取得了巨大的成功，尤其是在影视行业。之后，四旋翼无人机开始继续向着智能化前进。

　1.3 四旋翼无人机简介及前景

　四旋翼无人机的特点有很多，比如体积比较小所以较为灵活，成本与其它直升机相比也比较低，隐藏较强，在熟悉后也便于控制，因此它的性价比是比较高的。它的四个螺旋桨可以由电机直接带动，也可以加上齿轮结构，多个传感器相互测出的值进行卡尔曼滤波或者单独一个传感器检测，通过一些算法由处理器处理从而做到飞行姿态解算，无人机的飞行轨迹和姿态，通过电机的转速来调整。同时，四旋翼无人机事故发生后的所承担的成本低，而且其它飞行器有的优点它基本上都具备。对于军事领域，无人机可以减少战士的伤亡，并增加和增强探测手段；在科技领域，帮助科学家进行采集和探测等工作；在民用领域,一般可以作为大众玩具或者航拍工具，当它安装了探测设备之后可用于火灾等较为危险的地方。因此，它的应用十分广泛,是一大研究热点。当然，四旋翼无人机也存在诸多问题，如续航时间短，抗干扰能力弱等。

　 6 而对于 stn32 控制的四旋翼无人机，它受到了愈来愈多的消费者的喜爱，除了学习向的消费者可以自己 DIY 进行随心设计，航模向的消费者也可以直接购买组装磨炼航拍技术。尤其是控制算法日益精进情况下，它的优势也愈发明显。四旋翼无人机除了上述大众所使用的领域外，它在探测等方面也是大放光彩。近些年来，四旋翼无人机的零部件性能越来越好，价格也越来越便宜，再加上一代又一代人的探索，它的优势愈加明显，且在商业化的进程中占有极高的优势，未来无人机的发展趋势由此可见一斑。

　1. 4 四旋 翼无人机设计应解决的主要问题

　四旋翼无人机在飞行中，不可避免的会受到微风等外部影响，以及传感器的不精确等内部影响。而且它有 4 个控制输出，数据量较大，运算量大，软件编写较为复杂。

　笔者主要负责利用软件解决实际问题，当实际问题抽象出来，主要有...

篇六：基于stm3四旋翼无人机设计

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　录

　1 引言 ................................................................................................................................... 1 1.1 国内外研究现状 .................................................................................................... 1 1.1.1 国外研究现状 ............................................................................................. 1 1.1.2 国内研究 ..................................................................................................... 3 1.2 本文研究内容 ........................................................................................................ 6 1.2.1 四旋翼飞行器的数学模型 ......................................................................... 6 1.2.2 四旋翼飞行器设计 ..................................................................................... 6 1.2.3 手持地面站设计 ......................................................................................... 6 1.3 本文研究意义 ........................................................................................................ 6 1.4 论文结构 ................................................................................................................ 7 2 总体设计 ........................................................................................................................... 8 3 四旋翼飞行器设计 ......................................................................................................... 11 3.1 四旋翼飞行器的姿态描述 .................................................................................. 11 3.1.1 垂直运动 .................................................................................................... 11 3.1.2 俯仰运动 .................................................................................................... 12 3.1.3 滚转运动 .................................................................................................... 12 3.1.4 偏航运动 .................................................................................................... 12 3.2 四旋翼飞行器数学建模 ...................................................................................... 13 3.2.1 数学建模理论 ........................................................................................... 13 3.2.2 数学建模过程 ........................................................................................... 16 3.3 四旋翼飞行器各模块设计 .................................................................................. 21 3.3.1 系统最小电路设计 .................................................................................... 22 3.3.2 采集模块设计 ............................................................................................ 23 3.3.3 姿态解算模块设计 ................................................................................... 26 3.3.4 控制算法模块设计 ................................................................................... 27 3.3.5 动力器件模块设计 .................................................................................... 28 3.3.6 机身模块设计 ............................................................................................ 28 3.5 四旋翼飞行器调试 .............................................................................................. 30 4 四旋翼飞行器的功能优化 ............................................................................................. 35 4.1 手持地面站简介 .................................................................................................. 35 4.2 手持地面站硬件设计 .......................................................................................... 36 4.3 手持地面站软件设计 .......................................................................................... 38 总结 ..................................................................................................................................... 41 参考文献 ............................................................................................................................. 42 附录 1 .................................................................................................................................. 43 附录 2 .................................................................................................................................. 44

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　1 于 基于 STM32 的四旋翼飞行器设计 1 引言 1.1 国内外研究现状 随着国内外无人机市场的升温，四旋翼飞行器以其简单的硬件结构，优异的性能越来越受到重视。全球各地也越来越多的人参与到四旋翼飞行器的开发中，在四旋翼飞行器的控制算法和硬件结构设计中都取得了许多的成果。

　1.1.1 国外研究现状

　 图 1-1-1 Breguet 兄弟设计的四旋翼

　图 1-1-2 Mesicopter 可操控性差 [1] 。受限于当时科技水平，之后十几年并没有太大的发展。近几年，微处理器、新型材料和控制理论都取得很大突破，四旋翼飞行器取得了长足的发展。当下四旋翼飞行器主要是往无人机方向发展，并且尺寸都相对较小，比如斯坦福大学研究的四旋翼飞行器 Mesicopter（如图 1-1-2 所示）机架的边长只有 16mm [2] 。

　国外有许多高校和研究机构都参与到四旋翼飞行器控制算法的研究中去，都取得一定成果。美国斯坦福大学的 Tomlin 教授领导的小组开发了 STARMAC 系统，历经两代改进，其中在一代上，该小组采用线性最优二次型调节器（LQR）进行姿态调节，滑模控制进行外环位置控制，取得了室内试飞成功 [3] 。

　国外的商业多旋翼无人机厂商也有许多成功的例子，比如 3D Robotics（简称3DR）。3DR 开发的无人机 Solo（如图 1-1-3 所示）专为航拍设计，可以沿着预先设定的航线进行飞行，在飞行过程中，用户只需要专心调准相机焦距即可。3DR 配套的手机软件可以选择飞行模式。例如 Cable Cam 模式，可以让用户选择不同的两个点，随后 Solo 就会在这两个点之间飞行，就像在一根看不见的线缆上滑过一般。在滑行期间，用户可以自如地控制相机对焦的位置。Solo 允许用户全方位定制自己的四轴飞行器，例如增加红外线传感器、室内飞行防护装置、甚至弹射降落伞，为飞行器突然

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　2 失控坠落时保护设备。

　图 1-1-3 3DR 公司的 Solo 飞行器 图 1-1-4

　Draganflyer X8

　美国 Draganflyer 公司研制的 Draganflyer X8（图 1-1-4 所示）采用碳纤维和高性能塑料作为机身，采用四轴八旋翼结构，可以达到更大升力 [4] 。

　国外有众多开源飞控，其中一款名为 APM，它和以上所有无人机不同的是它的所有资料，包括源代码、地面站、原理图，甚至连 PCB 工程都是开源的。全世界的

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　3 所有人都可以参与进来，一起开发。目前最新款的是 3DR 公司开发的 Pixhawk（图1-1-5 所示）。Pixhawk 采用双处理器，其中 STM32F427（Cortex-M4 核心，带有 DSP浮点运算器）主要负责计算。而另一个处理器 STM32F103（Cortex-M3 核心）主要负责传感器数据的采集，并且可以给 STM32F427 烧写固件。这样最大的优点是就算主处理器死机了，它还能保障安全。从图 1-1-5 可以看出 Pixhawk 可以连接非常多的传感器，比如 GPS,气压计等。Pixhawk 不仅支持四旋翼飞行器，它还支持固定翼、飞翼、其它多旋翼，甚至支持直升机 [5] 。

　图 1-1-5

　Pixhawk 国外另一款较著名的开源飞控名为 CC3D（图 1-1-6），它与 APM 有所不同是，它的硬件结构极其简单，主要是一片 STM32F103C8T6、一片 Flash 储存芯片和一片MPU6000。它主要用于穿越机（图 1-1-7）的控制，穿越机是一种竞速四旋翼飞行器，其上面的摄像头可以直接将画面传输给操作者的视频眼镜中，操作者可以以第一视角飞行，由于是竞速机型，所以 CC3D 的动态性能非常好。

　1.1.2 国内研究 国内研究四旋翼飞行器起步较晚，但是目前已经获得很大突破。国内参与的高校非常之多，比如国防科技大学，哈尔滨工业大学，北京航空航天大学等。国防科技大学的聂博文同学基于 Backstepping 算法设计其控制系统，并设计了自抗扰控制器进行姿态增稳和飞行高度控制，利用 Lyapunov 方法分析其稳定性。

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　4 图 1-1-6 CC3D 图 1-1-7 穿越机 国内的商用无人机厂商发展相当迅速，如大疆创新科技有限公司 2006 年成立，改变了我国商业无人机从无到有的局面，目前占据了全球无人机 50%的份额。大疆公司以“飞行的影像系统”为核心发展方向，其产品已被广泛用于航拍、电影、农业、地产、新闻、消防、救援、能源、遥感测绘、野生动物保护等领域，并不断地融入新的行业应用。大疆公司前后推出了许多经典机型，其最新产品“悟”（图 1-1-8）最为经典。悟的机身可以变形，云台可以拆卸，4K 相机，搭载的 Lightbridge 高清视频传输系统的传输距离可达 2 公里。悟可以多个遥控器互联，一起协同拍摄。悟还带有视觉定位系统，即使在室内没有 GPS 的情况下，悟一样可以进行定位。

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　5

　图 1-1-8 悟 国内也有众多开源团队，比如圆点博士小四轴（如图 1-1-9），匿名四轴（如图1-10）。与国外的开源飞控一样，圆点博士小四轴和匿名四轴的资料都是开源的，所有人都可以参与进来。但是与国外开源四轴不同的是，国内的开源四轴的编译环境都可以在 window 环境下进行，这样降低了爱好者的开发门槛。

　图 1-1-9 圆点博士小四轴

　 图 1-1-10 匿名小四轴

　现在研究四旋翼飞行器已经是个大潮流，但是还有诸多问题没有解决。

　在算法研究领域面临着精确建模困难的问题，各种姿态解算算法都各有优缺点。由于四旋翼飞行器的处理能力有限，即使算法完善也很难在工程上实现。

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　6 对于飞行器而言，稳定性是摆在第一位的，四旋翼飞行器在飞行过程中会遇到很多的干扰，比如气流对气压计的干扰；电机、电池产生的磁场对电子罗盘的干扰。而四旋翼飞行器一旦出现故障，其后果是致命的，所以故障处理也是当前急需解决得到问题。

　四旋翼飞行器的飞行效率比固定翼低，有效载荷较小，续航时间短。这是限制四旋翼飞行器投入实际工程运用的一个重要因素。

　1.2 本文 研究 内容 本毕业设计涉及到内容可以概括为四旋翼飞行器的数学建模，四旋翼飞行器和手持地面站的硬件和软件设计。

　1.2.1 四旋翼飞行器的数学模型 本论文推导出四旋翼飞行器的外力平衡方程和外力矩平衡方程，最后得出四旋翼飞行器的动力学方程。用欧拉角和四元数对四旋翼飞行器的姿态进行描述。为了减少计算的复杂性，避免单片机进行浮点型运算占用 CPU 资源，本论文推导出惯性坐标系与机体坐标系的转换矩阵，欧拉角转四元数矩阵，四元数转欧拉角矩阵，使飞行器进行姿态解算时只需进行加减乘除运算即可。

　1.2.2 四旋翼飞行器设计 设计了软件互补滤波器对陀螺仪和加速度计的数据进行滤波得到正确的姿态角。

　利用现代控制理论 PID 对四旋翼飞行器进行姿态控制，最终实现飞行器的起飞、降落，前后移动和自旋。

　1.2.3 手持地面站设计 设计手持地面站方便离线调试。手持地面站利用 STemWin 图形系统开发人机交互界面，这个友好的交互界面可以实现离线对四旋翼飞行器进行调试。通过上面的接收机 PPM 信号接口可以读取所有品牌遥控器接收机的信号，经过手持地面站地的处理便可以让所有遥控器都可以控制本四旋翼飞行器。

　1.3 本文研究意义 通过本论文可以了解四旋翼飞行器的数学模型的建立、姿态解算的思路，掌握整个四旋翼飞行器控制系统，为以后设计智能无人机奠定基础。本毕业设计的最大创新点是提出一个离线调试和兼容所有品牌遥控器的解决方案——手持地面站。手持地面

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　7 站除了可以使电脑上位机远程调试四旋翼飞行器外，同时它自身也可以离线对四旋翼飞行器进行调试，这极大地提高调试的简便性和飞行器的可操控性。

　1.4 论文结构 第一章主要讲解四旋翼飞行器的发展、应用和国内外研究状况，本毕业设计的研究内容和意义。

　第二章叙述了本毕业设计的思路及总体框架。

　第三章是四旋翼飞行器设计。这一章可分为四个部分。第一部分是四旋翼飞...

篇七：基于stm3四旋翼无人机设计

与创新 ┃ Science and Technology & Innovation·38·2019 年 第 16 期文章编号：2095－6835（2019）16－0038－02基于四旋翼无人机的组装与调试研究黄芳艳，刘永福，林镇滔，胡嘉就，陈德朝（广东开放大学，广东 广州 510091；广东理工职业学院，广东 广州 510091）摘 要：首先介绍了四旋翼无人机的结构和组成，然后详细研究了它的组装和调试，最后分析组装调试中遇到的一些问题。关于四旋翼无人机的组装，可在焊接组装部件前先查看测试部件，构想实物模型，接着调试飞控的部分功能，这样利于减少后续组装的拆卸次数，提高组装效率。组装的无人机使用 Pixhawk 飞控，在 Mission Planner软件中进行调试。其他类型的多旋翼无人机的组装与调试可以类比四旋翼，对多旋翼无人机的组装与调试具有一定的指导意义。关键词：四旋翼无人机；Pixhawk 飞控；组装；调试中图分类号：V279 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.015四旋翼无人机是一种典型的多旋翼无人机，结构简单，体积较小，飞行平稳 [1] ，广泛应用于影视航拍、电力巡线、航空测绘、农林植保等领域，具有极其重要的研究价值。本文以四旋翼无人机为例，研究多旋翼无人机的组装和调试。在组装无人机之前，首先得了解无人机的结构组成以及各个部件的功能。1 四旋翼无人机的结构和组成一架典型的四旋翼无人机由机架、脚架、电机、电调、螺旋桨、电池、遥控器和飞行控制器等组成。机架是无人机的机械框架，用于承载放置其上的其他部件。脚架在无人机降落到地面时起到一定的缓冲作用。电机是无人机的动力部件，带动螺旋桨转动产生升力，而电调用来驱动并控制电机的转速。电池是无人机的动力源，而遥控器用来实现远程操控。飞行控制器是无人机的核心，一般由主控 MCU、姿态传感器组、无线通信模块和电源模块等组成 [2] 。2 四旋翼无人机的组装根据无人机的结构和组成，将无人机的各个部件组成一个统一的整体，组装过程分为如下几步。2.1 查看、测试部件，构想实物图打开多旋翼无人机实训箱，查看箱中的部件是否齐全，然后检查各个部件有无损坏。有些损坏的部件，如桨叶、机架、脚架等，能够直接被发现。对于表面无异常的部件，需要使用检测工具和检测方法，例如，测试电调的好坏，可以使用万用表的蜂鸣器档，如果发出响声，则说明正常，否则损坏。要测试电机的好坏，可以将电机连接到正常的无人机电调上，接通电源，如果电机运转，则说明正常，否则损坏。最后构想无人机的实物图，如部件摆放位置、部件固定方式、部件之间连接等，减少后续组装的拆卸次数，提高组装效率。2.2 调试飞控的部分功能Pixhawk 飞控的部分功能，如加速器计校准和指南针校准，不需要安装在机架上也能完成。此外，如果飞控安装在机架上，那么在旋转校准过程中，容易出现各种线缠绕在一起的问题。打开 Mission Planner 软件，将 Pixhawk 飞控连接到电脑，点击菜单“初始设置”，依次选择“必要硬件”下的“加速度计校准”“指南针”，按照操作提示完成校准。2.3 焊接电调、电源将电调电源线和电源模块电源线焊接在分电板上，要求不能存在虚焊，且外观尽量完美。焊接完成后，用万用表测试焊点是否存在短路或者断路的情况。2.4 组装机架、电池架、脚架在机架下板上固定电池支撑架和脚架，而 GPS 支撑架和飞控缓冲板安装在机架上板上，然后在上下板之间固定机臂，用螺丝拧紧。2.5 安装电机，连接电调在机臂的末端安装电机架，然后安装电机。从右前方电机开始，按照逆时针方向，电机旋转方向依次为逆时针、顺时针、逆时针和顺时针。电机表面如果没有标明旋转方向，可以通过如下两种方法判断：①扭转电机上面的桨帽。如果顺时针能将桨帽拧紧，说明电机顺指针旋转，否则逆时针。②看桨叶上面的图标。如果图标是顺时针上锁、逆时针解锁，则安装此桨叶的电机顺时针旋转，否则逆时针。安装好电机后，将电机与电调连接起来，如果电机的旋转方向与规定的方向相反，则交换电调中任意两根线。2.6 安装飞控、接收机、GPS在飞控的四角粘上双面胶，固定于飞控缓冲板上，箭头方向指向机头方向。在飞控的一侧安装接收机，另一侧安装GPS。接收机的 PPM 端连接到飞控的 RC IN 端，GPS 的引线接在飞控 GPS 端口和 CAN 端口，电源信号线接在飞控POWER 端口。飞控 SWITCH 端口和 BUZZER 端口分别外接安全开关和蜂鸣器。到此，无人机组装完成，如图 1 所示。

　Science and Technology & Innovation ┃ 科技与创新2019 年 第 16 期·39·图 1 组装完成的无人机3 四旋翼无人机的调试无人机组装完成后，接通电源进行调试。无人机的调试包括安装固件、机架选型、遥控器校准、电调校准、电机测试、飞行模式、调节 PID 参数等。调试过程中，一定不能安装桨叶，以免无人机起飞造成不必要的损失。3.1 安装固件，机架选型打开 Mission Planner 软件，点击菜单“初始设置”，选择“安装固件”，在右侧选择与组装无人机相应的类型进行安装升级。此步操作是在飞控没有连接到电脑的情况下完成的。接着，点击 Mission Planner 软件“必要硬件”栏下面的“机架类型”，选择相应机架类型。3.2 遥控器校准首先遥控器与接收机进行对码。将对码线连接在接收机的 B/VCC 通道处，按住遥控器左下角的黑色对码按钮不放，按下 POWER 键，出现连接成功的提示。然后设置遥控器。长按遥控器的 OK 按钮，进入系统界面，选择 RX Setup 界面，再选择 PPM Output，将其设置为 ON 状态。最后校准遥控器。点击 Mission Planner 软件左侧栏“遥控器校准”，点击右侧“校准遥控”，将遥控器的摇杆按逆时针方向从最远处开始旋转几圈，得到摇杆的最大值和最小值。校准结束后，点击完成按钮。3.3 电调校准将电调的输出端依次接在飞控 main out 的 1~4 端，从上到下为负极、正极、信号线，然后进行校准。首先，关闭遥控器并断开无人机电源，打开遥控器，将油门调到最大，然后接通无人机电源，听到提示音后断开。接着再次接通无人机电源，等到提示音结束，长按安全开关直至灯光为蓝色常亮，将油门调到最低，出现与电池数量相等次数的提示音。最后断开无人机电源，完成校准。3.4 测试电机电机测试，是为了检测电机是否按照规定的方向旋转，可以采取以下两种方法：①接通无人机电源，解锁遥控器，调整油门，用手触摸电机，感觉其是否按照规定的方向旋转；②点击 Mission Planner 软件左侧栏“可选硬件”中的“电机测试”，根据右侧选项进行电机测试。3.5 飞行模式常见的飞行模式有自稳定、定高、定点、悬停、返航等。点击 Mission Planner 软件“配置/调试”菜单中的“飞行模式”，根据实际情况进行设置，并与遥控器上面的开关对应。3.6 调试 PID 参数完成基本的校准调试后，安装桨叶，到室外进行试飞。根据飞行的稳定性情况，在 Mission Planner 软件中，点击“配置/调试”菜单，选择“扩展调参”，调节遥控器各个通道的 PID 参数。4 组装调试中遇到的一些问题4.1 电机不转或电机转速慢在室内进行无人机调试时，发现某个电机的转速比其他电机要慢甚至不转，可能是电机损坏或电调损坏。首先，检查电机的转子线圈有无损坏。仔细查看，发现安装电机的螺丝太长，抵住转子线圈，通电后，电机转不动，发热烧坏线圈。所以，安装电机时，一定要查看螺丝的长度是否适合。如果电机的转子线圈没有损坏，将不转或转速慢的电机拆下来，连接在正常电调上，通电，解锁遥控器，看电机能否正常运转。如果电机正常运转，说明电机没有问题，是电调的问题，否则是电机的问题。4.2 电调严重发烫无人机通电后，电机运转，某个电调冒烟。断电后，触摸电调，发现冒烟的电调比其他电调更烫一些，可能是内部短接所致。所有电调焊接完成后用万用表进行测试，这种情况是在无人机通电后产生的。仔细研究发现安装电机的螺丝过长，抵住电机转子线圈，转子不能转动，造成短路，电调发烫。4.3 无人机飞行时出现不稳侧翻室外飞行时，发现无人机不稳定，往某个方向倾倒，可能是因为重心不在整个机架的正中心。出现这种情况的原因有：①机臂的长度可能不一致；②接收机和 GPS 分别安装在飞控两侧，由于它们的重量不相等，造成重心偏移；③电调放在机架下板上的位置不一致，造成重心偏移，这时，调节遥控器各个通道的 PID 参数，才能使无人机飞行稳定。5 小结多旋翼无人机的组装与调试是高职无人机应用技术专业的学生必须掌握的一项技能，是国内无人机大赛的重要组成模块，是无人机职业证考试的必考内容。掌握好本文介绍的四旋翼无人机的组装调试后，可以类推学会其他类型的多旋翼无人机的组装调试。参考文献：［1］杨则允，李猛，张全.四旋翼无人机控制系统设计与实现［J］.科技创新与应用，2018（34）：105-106，109.［2］王磊.基于 CC3200 的微小型四轴无人机设计与实现［D］.苏州：苏州大学，2016.————————作者简介：黄芳艳（1987—），女，研究方向为自动控制和无人机应用技术。〔编辑：王霞〕

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