STM32F4四轴飞行器全套开发资料源码+硬件原理图PCB+设计论文 -

本设计是基于STM32F4的四轴航拍平台。以STM32F407为控制核心，四轴飞行器为载体，辅以云台的航拍系统。硬件上由飞控电路，电源管理，通信模块，动力系统，机架，云台伺服系统组成。算法上采用简洁稳定的四元数加互补滤波作为姿态解算算法，PID作为控制器，实现飞行，云台增稳等功能。具有灵活轻盈，延展性，适应性强好等特点。本设计是基于STM32F4的四轴航拍平台。以STM32F407为控制核心，四轴飞行器为载体，辅以云台的航拍系统。硬件上由飞控电路，电源管理，通信模块，动力系统，机架，云台伺服系统组成。算法上采用简洁稳定的四元数加互补滤波作为姿态解算算法，PID作为控制器，实现飞行，云台增稳等功能。具有灵活轻盈，延展性，适应性强好等特点。本设计是基于STM32F4的四轴航拍平台。以STM32F407为控制核心，四轴飞行器为载体，辅以云台的航拍系统。硬件上由飞控电路，电源管理，通信模块，动力系统，机架，云台伺服系统组成。算法上采用简洁稳定的四元数加互补滤波作为姿态解算算法，PID作为控制器，实现飞行，云台增稳等功能。具有灵活轻盈，延展性，适应性强好等特点。

四轴飞行器不但实现了直升机的垂直升降的飞行性能，同时也在一定程度上降低了飞行器机械结构的设计难度。四轴飞行器的平衡控制系统由各类惯性传感器组成。在制作过程中，对整体机身的中心、对称性以及电机性能要求较低，这也正是制作四轴飞行器的优势所在，而且相较于固定翼飞机，四轴也有着可垂直起降，机动性好，易维护等优点。

在实际应用方面，四轴飞行器可以在复杂、危险的环境下可以完成特定的飞行任务，也可以用于监控交通，环境等。比如，在四轴飞行器上安装甲烷等有害气体的检测装置，则可以在高空定点地检测有害气体；进入辐射区检查核设施；做军事侦察；甚至搬运材料，搭建房屋等等。本设计利用四轴搭载云台实现航拍任务，当然经过改装也可以执行其他任务。

四轴飞行器要求整体设计质量较轻，体积较小，因此在电池的选取方面，采用体积小、质量轻、容量大的锂电池供电最合适。系统的核心芯片为STM32F103，常用工作电压为3.3V，同时惯性测量传感器，蓝牙通信模块的常规供电电压也为3.3V，锂电池的电压为11.4V，要使系统正常工作，需要将11.4V的锂电池电压稳压到3.3V。常用的78系列稳压芯片已不再适用，必须选择性能更好的稳压芯片。

通过以上算法我成功得出了飞行器的姿态角，在开启电机的情况下，角度误差在+/-2°以内，满足了控制要求。姿态计算效果如下图所示，其中红色和蓝色是直接由加速度计算出的俯仰角和横滚角，青色和黄色为姿态结算后的俯仰角和横滚角。由图中数据可看出，解算的姿态角不仅能即时的反应角度变化切曲线平滑，说明姿态解算算法有效。

由于四轴飞行器独特的机械结构，即结构上的对称设计，使得四轴在俯仰角的控制欲横滚角的控制上有这近乎相同的控制特性，且两者相对独立。四轴飞行器的俯仰，横滚，偏航，升降可以通过四个输入量来控制。通过设定一个期望角度，调整电机转速，使得测得的姿态角稳定在期望角。控制律的设计主要采用是闭环控制。以姿态角做为被控制量，采用经典的PID控制算法。

四轴飞行器系统是一个时变且非线性的系统，采用传统PID算法的单一的反馈控制会使系统存在不同程度的超调和振荡现象，无法得到理想的控制效果。本文将前馈控制引入到了四轴飞行器系统的控制中，有效地改善了系统的实时性，提高了系统的反应速度；并且根据四轴飞行器系统的特点，对数字PID算法进行了改进，引入了微分先行环节，改善了系统的动态特性；使得控制器能够更好地适应四轴飞行器系统的实际情况。

在姿态角的控制中，本设计将控制器捕获到的遥控器信号转换为一个角度，作为期望角，与解算出来的测量角作差，得到偏差error。将error乘以一个比例系数kp。在只有kp作用下，系统会有静差所以考虑利用积分ki控制消除稳态误差。但积分控制会降低系统的动态性能，甚至造成闭环系统不稳定，因此要对积分进行限幅，防止积分过大。

对于微分，如果采用传统的D方法，在人为操纵四轴时会产生输入的设定值变化频繁且幅度较大，从而造成系统的振荡。对人为控制十分不利，为了解决设定值的频繁变化给系统带来的不良影响，本文在姿态角控制上引入了微分先行PID算法，其特点是只对输出量进行微分，即只对陀螺仪角速度测量值进行微分，而不对姿态角的设定值进行微分。这样，在设定值发生变化时，输出量并不会改变，而被控量的变化相对是比较缓和的，这就很好地避免了设定值的频繁变化给系统造成的振荡，明显地改善了系统的动态性能。控制周期定为4ms，姿态控制系统示意图如下：

PID参数的整定是PID控制的关键环节，直接影响到控制的效果。故一个PID设计的好不好往往要看其参数能否调节好，本设计的PID参数调节采用凑试法。凑试法是通过实际的闭环系统，通过观察系统的响应曲线，在本设计中通过观察被调量，PID输出，设定值三条曲线，判断出kp,ki,kd对系统响应的影响，反复尝试，最终达到满意响应，从而达到确定控制参数的kp,ki,kd的目的。在参数调节过程总遵循以下原则[17]:

　　确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。比例增益P调试完成。

在参数调整时，先调P,将I,D给0，先给一个小值P1，如果飞行器不能稳定在一个角度，则P1给小了，下一次给一个较大值P2，如果飞行器产生震荡则证明P2给大了，那么合适的P在P1-P2之间，反复试验几次可找到P震荡的临界点P0,然后保持P0不变按照调P的方法来调D,D是用来消除误差的，当抖动差不多被消除时，此时我们有较合适的P0,D0，在这两个值附近再试几组参数，观察效果得到最优参数。调好P,D后此时四轴的稳定状态与期望状态间也学会有静差，接下来加入I，参数有小到大，当静差差不多被消除时，我们再对P,I,D三组参数在小范围内联调。最后确定恰当的积分限幅值，完成整个PID参数的整定。

图6-1中黄色和蓝色为直接由加速度计算出的俯仰与横滚角，红色和青色为姿态解算后的姿态角，可明显看出直接由加速度计算出的姿态角噪声大，不平滑，不能真实反映姿态角的变化。而由四元数算法解算后的姿态角反应快，噪声小，足以满足控制要求。光观察曲线并不直观，还可以观察上位机中的立方块，当小立方块的姿态与四轴机体能够保持一致变化时说明姿态解算良好。通过以上手段可知姿态角解算满足需求。

试飞前要确保系统各部分工作正常，稳定。检查各个接口连接是否正确，各部件安装是否牢固，电池电量是否充足。打开电源前检查遥控器油门是否在最低位置，起飞前先轻推油门确保电机工作正常。一切准备就绪，即可进行试飞。将四种飞行器放在水平地面上，开始启动姿态初始化程序，听到电调提示音后，缓慢增加油门，螺旋桨转速上升，将飞机拉离地面。由实际情况可看出当姿态发生倾斜时，姿态解算及PID控制能够及时调整电机转速，稳定飞行姿态。飞行器还能根据遥控指令的变化完成相应的动作。本此设计的四轴飞行器可实现垂直升降的要求，能保持姿态的稳定，机体晃动小，在微风的干扰下能够自动调整姿态，确保平稳飞行，且系统响应快，续航时间大概在8分钟。因此本次的设计是有效的。

void IMUupdate(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az)
{
static float q0 = 1.0f, q1 = 0.0f, q2 = 0.0f, q3 = 0.0f;
float delta_2=0;
const static float FACTOR = 0.002;
float norm=0.0f;
float vx, vy, vz;
float ex, ey, ez;
float q0q0 = q0*q0;
float q0q1 = q0*q1;
float q0q2 = q0*q2;
float q1q1 = q1*q1;
float q1q3 = q1*q3;
float q2q2 = q2*q2;
float q2q3 = q2*q3;
float q3q3 = q3*q3;
norm = sqrt(ax*ax + ay*ay +az*az); // 测量正常化把加速度计的三维向量转成单位向量。
ax = ax /norm;
ay = ay / norm;
az = az / norm;
vx = 2*(q1q3 - q0q2); // 估计方向的重力
vy = 2*(q0q1 + q2q3);
vz = q0q0 - q1q1 - q2q2 + q3q3;
ex = (ay*vz - az*vy);
ey = (az*vx - ax*vz);
ez = (ax*vy - ay*vx);
halfT=0.002;
gx = gx + ex*FACTOR/halfT; //校正陀螺仪测量值用叉积误差来做PI修正陀螺零偏
gy = gy + ey*FACTOR/halfT;
gz = gz + ez*FACTOR/halfT;
delta_2=(2*halfT*gx)*(2*halfT*gx)+(2*halfT*gy)*(2*halfT*gy)+(2*halfT*gz)*(2*halfT*gz);
q0 = (1-delta_2/8)*q0 + (-q1*gx - q2*gy - q3*gz)*halfT; // 整合四元数率四元数微分方程四元数更新算法，二阶毕卡法
q1 = (1-delta_2/8)*q1 + (q0*gx + q2*gz - q3*gy)*halfT;
q2 = (1-delta_2/8)*q2 + (q0*gy - q1*gz + q3*gx)*halfT;
q3 = (1-delta_2/8)*q3 + (q0*gz + q1*gy - q2*gx)*halfT;
norm = sqrt(q0*q0 + q1*q1 + q2*q2 + q3*q3); // 正常化四元
q0 = q0 / norm;
q1 = q1 / norm;
q2 = q2 / norm;
q3 = q3 / norm;
//转换为欧拉角
Q_ANGLE.Pitch = asin(-2 * q1 * q3 + 2 * q0* q2)* 57.3; // pitch
Q_ANGLE.Roll = atan2(2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1, -2 * q1 * q1 - 2 * q2* q2 + 1)* 57.3; // roll
Q_ANGLE.Yaw = -atan2(2 * q1 * q2 + 2 * q0 * q3, -2 * q2*q2 - 2 * q3 * q3 + 1)* 57.3; // yaw
}

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器件	型号	主要参数
机架	四轴650机架	桨距650mm,碳纤维材料
电机	新西达2212	1000KV
螺旋桨	1045	直径10英寸，桨叶角45°
电子调速器	好赢天行者20A	额定电流20A
电池	锂聚合物电池	11.1V,2200mah,30C
MCU	STM32F407	主频168M
陀螺仪	MPU6050	+-2000dps,16位分辨率
加速度计	MPU6050	+-16g，13位分辨率
电源芯片	LM2940,LM1117	5V，3.3V
遥控器	Futaba	2.4M,6通道
舵机	Futaba3003	标准舵机

元件名	输入电压（V）	输出电压（V）
LM2940	12.4	5.01
LM1117	5.01	3.42