基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计

基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计

摘要
四旋翼飞行器是无人飞行器中一个热门的研究分支，随着惯性导航技术的发展与惯导传感器精度的提高，四旋翼飞行器在近些年得到了快速的发展。
本文对四旋翼飞行器的控制系统进行设计，并对其姿态估计算法、控制算法以及几种自主悬停算法进行研究并在四旋翼飞行器上实验对比并实现。论文的主要工作和结论。
如下：
(1)  本文针对四旋翼飞行器的机械结构、硬件、软件底层设计及自行设计的嵌入 式遥控的硬件设计、软件底层设计、GUI 设计及其软件实现流程进行了解析。
(2)  本文对捷联惯导技术进行了简介，并对四旋翼飞行器进行了基于牛顿-欧拉公 式的动力学建模，对其模型进行了降阶，最终简化为二阶系统，使其在工程上得以使用 PID 控制器及其改进型控制器进行控制。并对方向余弦法与四元数法进行了对比，其中， 四元数法计算量小，无奇点，因此，本文最终选择了四元数法进行姿态解算。同时，对 几种姿态误差补偿算法：卡尔曼滤波、互补滤波、梯度下降法进行分析对比，最终选择 了卡尔曼滤波与四元数法结合进行姿态估计。在控制算法方面，尝试了单级位置式PID 与串级PID，相比而言，串级PID 响应快，超调量小，因此，本文最终选择了串级PID 对四旋翼飞行器进行姿态与高度控制。同时，从微元法出发，尝试了全新的基于惯导与 高度传感器的自主悬停算法。
(3)  为了满足调试的需求，本文采用C#编写四旋翼虚拟控制台上位机，该上位机 能够实现实时通信，在线控制四旋翼飞行器，在线对四旋翼飞行器进行参数整定并使用 DirectX 3D 技术对四旋翼飞行器进行了三维模型重构和渲染。结合上位机采集到的实验 数据对前文的算法进行了分析对比，并最终得出结论。
关键词：四旋翼飞行器，姿态估计，串级PID控制， C#，DirectX 3D


链接：https://pan.baidu.com/s/10y7kR1zfIpcnO-bsGJ5spg