毕业设计（论文）-基于STM32的四旋翼飞行器设计.doc

目录1引言 72总体设计 83四旋翼飞行器设计 304四旋翼飞行器的功能优化 38总结 41参考文献 42附录1 43附录2 44基于STM32的四旋翼飞行器设计全套设计加扣 ,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 Breguet兄弟设计的四旋翼图1-1-2Mesicopter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3DRobotics(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CableCam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,为飞行器突然失控坠落时保护设备。图1-1-33DR公司的Solo飞行器图1-1-4 DraganflyerX8美国Draganflyer公司研制的DraganflyerX8(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 3D(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,3D的动态性能非常好。,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