基于STM32F103与双闭环PID的四旋翼无人机飞控系统设计技术说明本文围绕STM32F103四旋翼无人机飞控系统进行嵌入式开发复盘重点整理MPU6050姿态采集、卡尔曼与互补滤波、双闭环PID控制、PWM电机驱动、无线通信、PCB设计以及整机调试等技术要点。内容用于嵌入式控制、飞行器姿态解算和控制算法实现方法交流不涉及无人机产品推广或商业宣传。摘 要四旋翼无人机作为低空智能设备领域的前沿研究方向凭借其模块化机械结构与高机动性特征在消防救援、农业植保、电力巡逻等多元化场景中展现出卓越的应用能力。本论文系统构建了四旋翼无人机的开发体系基与STM32f103系列微控制器的主控单元整合了MPU6050六轴传感器以及2.4G无线通信模块。于算法控制维度采用卡尔曼滤波算法对陀螺仪和加速度计所采集到的数据实施噪声抑制处理随后借助互补滤波算法实现多姿态信息融合。控制策略采用双闭环PID架构内环负责角速率稳定外环实现姿态角跟踪同时将高度控制量通过加权算法与姿态控制量进行耦合电机驱动电路通过PWM信号控制四个电机运行有效提升了四旋翼无人机在动态环境下的稳定飞行。关键词无人机PID控制姿态解算ABSTRACTAs a cutting-edge research direction in low-altitude intelligent equipment, quadrotor drones demonstrate significant application potential in diversified scenarios including emergency rescue, agricultural plant protection, and geographic surveying, leveraging their modular mechanical structure and high maneuverability. This project systematically constructs a comprehensive development framework for quadcopters. The hardware system integrates an STM32F103-series microcontroller-based main control architecture with an MPU6050 six-axis sensor and 2.4GHz wireless communication module.At the data processing level, Kalman filtering is implemented to suppress noise from raw gyroscope and accelerometer data, while a complementary filtering algorithm synthesizes multi-source attitude information, effectively enhancing attitude calculation accuracy under dynamic conditions. The control strategy employs a dual closed-loop PID architecture: the inner loop stabilizes angular rates, and the outer loop tracks attitude angles. Altitude control inputs are coupled with attitude control variables through a weighting algorithm, ultimately generating coordinated PWM signals to drive motor units.Key words: quadcopter; PID architecture; attitude calculation第1章 绪论1.1 研究背景及意义无人机的应用最早可追溯至20世纪初在一战时曾作为靶机使用发展至二战时已经可以用来侦察。随着物联网技术的日益发展传感器、电机、嵌入式微控制器的性能也越来越强大无人机凭借其简单的结构、灵敏的操控体验、具备垂直起降特性以及显著的低成本效益广泛的应用于军事、工农业、服务业等各个领域成为各个行业研究的焦点。2021年全球无人机市场规模达889亿美元中国市场规模从2013年的41亿元增至2024年的1737亿元成为了全球最大的无人机制造国。在军事领域方面无人机体积小且灵活可以在机体安装各种微型芯片以及模块用来阵地侦察、无线拦截等在农业方面无人机在植被保护、精准施肥、光谱检测的领域广泛使用在大型牧场可以实现对动物的放养和监控在商业方面物流公司试点采取无人机配送在浙江、江苏等地实现常态化运营可以直接配送至乡镇极大降低了物流成本为低空经济带来活力在公共安全方面无人机也可用于灾害救援、边境巡逻、电力检修等。四旋翼无人机的飞行机制虽相对基础易懂但涵盖的科技范畴颇为广泛无论是机体结构的优化设计、传感器配套算法的研发还是软件架构与控制系统的搭建都需要高科技的支持。本论文针对四旋翼无人机控制系统进行研究旨在为该类型无人机在民用、商业以及军事领域的产业化进程添砖加瓦同时开展低成本且高性能无人机的相关研究可以产生显著的经济效益。1.2 国内外研究现状国外对无人机的研究起步较早20世纪90年代随着微机电系统MEMS技术日益成熟为四旋翼无人机的发展奠定了基调。2009年法国Parrot公司制造出了旗下第一款四旋翼无人机AR.Drone标志着四旋翼无人机迈入商业化阶段。之后美国斯坦福大学、麻省理工学院等高校在无人机的控制算法和硬件设计方面也取得了显著成果。虽然国内研究起步较晚但近年来发展迅速清华大学、北京航空航天大学等高校在无人机的建模、算法和传感器结合方面成功实现了关键性的突破。四旋翼无人机在农业植保、灾害搜救、电力巡检等领域得到了广泛应用。中国大疆科技公司作为近几年迅速崛起的无人机领域企业, 已成为全球领先的无人机研发及制造商在其创新研发实验室中已经储备了未来2-3年的前沿科技成果凭借持续迸发的创造力和想象力成功攻克诸多技术瓶颈及难题填补了国内外多项技术空白稳坐全球同行业领军之位其销售额占全球总量的半壁江山。在农业方面极飞科技XAG是国内农业无人机领域的领军企业专注于农业科技和智能设备的研发与主要产品为农业植保无人机广泛应用于农药喷洒、播种、施肥等农业作业。其采用高精度导航和智能控制系统实现精准作业减少农药和化肥使用。支持全自动飞行和作业提升效率并降低操作难度。通过数据分析和人工智能优化作业流程提供决策支持。在国内农业无人机市场占据重要份额用户覆盖广泛。产品已进入东南亚、南美、非洲等市场推动全球农业现代化。尽管近年来全球范围内无人机的研究正如火如荼地开展民用与商用的无人机都实现迅猛发展然而在无人机相关技术邻域中仍存在诸多亟待解决的问题。例如传感器误差所导致的积分漂移误差、以及在强烈的外界干扰下控制系统出现震荡等不稳定状况。鉴于此当前无人机的热点聚焦在姿态估计算法的精度提升与长期稳定性保障、控制算法的精度及稳定性优化、以及路径规划和多飞行器的编队控制等方面成为了当前无人机研究的突破点。当下发展趋势将聚焦于智能化、集群化和多功能化例如结合人工智能技术实现自主飞行和任务规划1智能化控制结合深度学习和强化学习算法提升飞行器的自主决策能力2能源与续航开发高能量密度电池和无线充电技术延长飞行时间3多机组协作研究多飞行器协同控制技术拓展其在物流配送和灾害拯救中的普及使用。目前无人机研究虽在国内外取得了令人瞩目的显著进展但不可忽视的是众多技术挑战正成为阻碍其进一步发展的关键因素。未来随着新材料、新算法和新技术的应用无人机将在更多领域发挥重要作用为人类社会带来更多便利与价值。1.3 论文主要内容本论文主要内容分为下面六部分第一章绪论部分着重阐释了本课题的研究价值并对无人机领域在国内外的研究进展、应用范畴以及未来走向进行了系统性概述。第二章中剖析了四旋翼无人机的两种典型结构特性以及选型依据探讨了飞行控制原理。通过PWM调制原理与姿态解算算法的协同作用实现对电机运行状态的精准调控改变四旋翼无人机的飞行姿态。第三章详细阐述了四旋翼无人机控制系统的硬件架构设计。包括外设器件的选型原则MEMS传感器的技术原理、性能特性及型号匹配方案PCB电路板的原理图设计与布线规范。系统采用STM32F103系列微控制器作为核心处理单元外围电路模块涵盖电源管理、姿态感知、无线通信、串行通信、电机驱动及遥控信号处理等关键子系统。第四章则聚焦于软件层面的细节给出了飞控板和遥控器的软件程序流程图、无线通信协议以及串级PID 控制。第五章着重对四旋翼无人机试飞前的准备工作进行了全面阐述内容涵盖环境搭建和试飞时的注意事项。论文最后对所开展的设计工作进行了系统性总结剖析了设计过程中存在的技术瓶颈与实施难点并基于当前研究现状对后续研究方向作出了前瞻性展望。第2章 无人机工作原理2.1 四旋翼无人机机械结构四旋翼无人机系由刚性十字交叉架构上配置的4组电机驱动飞行的一种飞行器。其运动控制通过调节4个旋翼电机的转速差异实现升降、转向等动作机械构造简洁采用电机直驱方式无需复杂的机械传动机构。依据电机轴向布局特征四旋翼无人机可分为X构型与十字构型两种形态具体结构如图2.1所示。鉴于两类构型在姿态感知与飞行控制方面具有较高相似性且X构型在实际应用中更具普适性本设计选用X构型布局方案[1]。图2.1 无人机电机控制轴的两种模式2.2 飞行原理四旋翼无人机的飞行姿态依赖于四台电机的运行状态包括转速与转向的协同配合其基本运动机制如图2.2所示当电机1和3以顺时针方向旋转驱动桨叶产生升力同时电机2和4以逆时针方向旋转驱动桨叶产生升力时顺时针旋转的电机-桨叶组合与逆时针旋转的电机-桨叶组合分别产生的反扭矩相互抵消确保在四个电机转速同步时机体保持稳定旋转平衡状态。具体运动控制逻辑为通过调节电机转速差实现空间位移—当电机1和4转速降低升高且电机2和3转速升高降低时机体产生向前后平移当电机1和2转速降低升高且电机3和4转速升高降低时机体产生向左右平移当四电机转速同步增加减少时机体产生上升下降运动当对角线电机1和3转速升高降低且另一对角线电机2和4转速降低升高时机体实现顺时针逆时针偏航旋转[2]。图2.2无人机飞行原理图无人机的基础飞行姿态主要有三个垂直飞行、水平飞行俯仰和翻滚、偏航飞行。垂直飞行如图2.3所示当四台电机同布执行加速或者减速操作时无人机通过改变旋翼总升力实现垂直上升或下降运动。图2.3 垂直飞行电机运行图水平飞行如图2.4所示使M3和M4电机增加转动速度同时使M2和M1电机降低转动速度无人机将会向右运动根据上述操作同理可得到上下左右四向的飞行姿态。图2.4 水平飞行电机运行图偏航飞行如图2.5所示使M2和M3增加转动速度同时使另两个电机M1和M4降低转动速度则无人机将顺时针方向偏转根据上述操作同理可得到逆时针偏转的飞行姿态。图2.5 偏航飞行电机运行图2.3 PWM原理PWM是英文Pulse Width Modulation脉冲宽度调制)的缩写,它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术,通过改变矩形波的占空比来获得不同的平均电压,占空比是指高电平持续时间在1个矩形波周期时间内的百分比。PWM的应用很广它可以控制灯光的亮度、控制直流电机的转速、输出语音信号等[3]。通过动态调节PWM信号的占空比参数可精确控制电机的转速特性进而实现四旋翼无人机的姿态稳定与飞行控制。无人机飞行控制系统的核心在于对电机转速的精准调节。PWM技术通过优化脉冲信号的占空比配置能够高效调节电机的转速与输出扭矩从而支撑无人机完成悬停、转向、升降等复杂飞行动作。该技术通过信号调制实现功率分配确保电机在不同工况下保持最佳运行状态为飞行控制提供稳定动力基础。图2.6 PWM原理图如图2.6所示控制周期为TT1T2。其中T1高电平时间就可以用来控制NMOS导通T2控制NMOS关断。由于四旋翼无人机具有4个螺旋桨所以设计4路 PWM驱动4个NMOS管来控制4个电机。2.4 无人机姿态解算2.4.1 坐标系坐标系在姿态解算与飞行控制中占据核心地位是确定四旋翼无人机空间状态的关键。姿态作为描述无人机空间指向的参数通常以地理坐标系为基准定义为绕三个正交轴俯仰、横滚、偏航的三维角度。姿态解算的核心任务是将惯性测量单元传感器采集的三维数据通过坐标变换算法转换为地理坐标系下的姿态角度[4]。1图2.7是空间三维坐标系无人机可以在这三个方向上任意飞行。图2.7 地理坐标系2如图2.8所示是无人机机体坐标系为无人机姿态角。图2.8 机体坐标系3如图2.9所示为传感器坐标系传感器的固有坐标系。图2.9 传感器坐标系姿态解算的核心任务是将MPU6050传感器所获取的六轴数据精准转换为三维姿态角度数据具体阐述如下1首先通信接口对MPU6050芯片中的数据进行采集随后程序算法将这些原始数据转换为姿态数据。在此过程中采用PID算法对姿态角实施精确控制保障传感器姿态的稳定性与准确性。2在串级PID算法架构中将俯仰角pitch与绕Y轴旋转的角速度归为一组。这是由于绕Y轴的角速度经过积分运算后其结果恰好对应俯仰角度。而另一组则由横滚角roll与X轴的角速度。2.4.2 姿态解算原理姿态测量系统主要依赖于三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴磁力计等传感器协同工作。姿态解算的基本原理是通过准确解析地理坐标系与机体坐标系之间的空间角度关系进而得到无人机的实时姿态信息。但是因为传感器自身存在的测量误差特别是陀螺仪的积分漂移误差以及振动干扰导致的加速度计测量偏差机体坐标系的测量结果往往存在差异进而影响姿态解算的精度。鉴于地理坐标系中无人机所受的重力场与地磁场具有恒定特性可将地理坐标系下的重力向量与磁场向量通过坐标变换映射至机体坐标系中。变换后的向量与机体坐标系直接测得的向量之间会存在偏差。通过消除这一偏差可实现对机体坐标系的精确校正进而获得准确的姿态信息。目前消除此类误差的常用方法包括卡尔曼滤波算法、互补滤波算法以及姿态插值算法等。考虑到系统的计算资源限制及现有技术资料本设计采用互补滤波算法并取得了良好的应用效果。姿态描述方法呈现多样化特征其中四元数、欧拉角及方向余弦矩阵是较为常见的表示形式。经综合评估四元数方法在计算效率方面具有显著优势且在工程实践中得到了广泛应用。因此本设计最终选定四元数作为姿态描述的主要工具[5]。四元数是由一个实数加上三个元素i、j、k 组成四元数一般可表示为且。假设刚体坐标系为b系地理坐标系为R系则地理坐标系R到刚体坐标系b的坐标变换为2.1四元数转换成欧拉角的变换为2.22.4.3 姿态控制在无人机飞行控制领域姿态解算机制在无人机控制中占据着核心地位其核心功能在于将无人机的整体姿态解构为三个关键维度横滚角roll、俯仰角pitch与偏航角yaw这三个角度分别表示了无人机在特定几何平面内绕特定轴的旋转状态。横滚角roll对应无人机在YZ平面内绕X轴的旋转俯仰角pitch对应无人机在XZ平面内绕Y轴的旋转偏航角yaw则对应无人机在XY平面内绕Z轴的旋转。姿态控制的核心目标在于通过精确调节四旋翼无人机的姿态参数实现机体在三维空间中的全向运动包括前后、左右、顺时针与逆时针方向的位移。该控制模式通过动态调整无人机的姿态角使其能够适应复杂多变的飞行任务场景。从系统实现层面分析姿态控制本质上是通过调节无人机的姿态参数以达成预期的飞行轨迹。这一过程依赖于对横滚角、俯仰角与偏航角的协同控制通过实时修正姿态偏差实现无人机在三维空间中的精准定位与路径跟踪。如图2.10所示无人机于YZ平面内X轴转动产生横滚角roll主要通过左右旋翼产生的升力控制所以通过控制横滚角就可以控制无人机左右移动。图2.10 无人机横滚角如图2.11所示四旋翼无人机于XZ平面内围绕Y轴实施俯仰运动时所形成的俯仰角Pitch主要依赖前后旋翼组产生的升力差值进行调控。该控制机制通过建立前后旋翼的升力梯度使得无人机能够根据俯仰角参数实现纵向前后方向的定向位移控制。图2.11 无人机俯仰角如图2.12所示当四旋翼无人机在XY水平面内围绕垂直轴Z轴实施旋转动作时其姿态变化所产生的偏航角Yaw需通过旋翼系统产生的升力差值进行精密调控。在旋转执行过程中位于对角线对称位置的旋翼需维持转速的一致而交叉对角线位置的旋翼则需构建转速梯度差。基于该升力矢量分配原理通过调整偏航控制参数即可实现无人机绕Z轴的定向顺时针或逆时针旋转运动。图2.12 无人机偏航角第3章 无人机的硬件设计四旋翼无人机系统架构以主控核心单元与外设硬件模块协同工作为基本框架其硬件组成可划分为动力执行部分、结构支撑部分、能源供给部分及操控交互部分四大功能模块。具体而言动力执行部分包含电机、电子调速器ESC及螺旋桨装置结构支撑体系由轻量化机架构成能源供给部分采用高能量密度锂聚合物电池并配备充电管理模块操控交互部分则为2.4G无线通信。3.1 外设硬件设计鉴于本设计基于轻量化便携式的基础上开发无人机在综合成本效益和实际需求的基础上对无人机的功能配给与结构方案进行系统和规划1构建全方向运动控制体系实现通过地面遥控对无人机进行前向/后向、横向位移及偏航转动的三维空间操控2基于有刷空心杯电机驱动方案采用定制化设计的轻质高效无人机动力单元结构。3经对比当前主流机架方案的技术参数比选最终选定具备减速增扭特性的专用机架系统具体结构如图3.1所示该方案通过优化传动比设计显著提升动力系统效率。图3.1 无人机机架在无人机的机械系统设计中机架的选择对系统性能、效率及可靠性有重要影响。本文将从扭矩能力、性能表现及耐摔性三个方面阐述选择带减速组机架的合理性。1带减速组机架的核心优势在于其高扭矩输出能力。通过减速组的设计电机输出转矩t经减速比n放大后实际作用于浆叶的转矩T可显著提升具体关系为。这一特性使得带减速组机架能够驱动更大尺寸的浆叶从而在相同功率下获得更大的升力显著提升飞行效率和机械系统的负载能力。2带减速组机架在性能方面具有显著优势。当驱动相同尺寸的浆叶时减速组电机的转速n更高而电流I更小损耗更低。这一特性可通过电机电压与转矩公式推导验证。其中Cm为磁通量常数r为电机内阻。转矩公式。当转速n提升时若保持输出转矩T不变则电流I必然降低从而减少内阻损耗。这一机制使得带减速组机架在相同负载下具有更高的效率与更低的能耗。3该机架的另一大优势在于其耐摔性。由于减速组与电机分离设计当发生摔落或桨叶卡住等异常情况时减速组可作为缓冲层可以直接承受冲击力从而避免电机受损提升系统的整体可靠性和延长设备使用寿命。3.2 主控系统硬件设计3.2.1 控制芯片选型图3.2 STM32最小系统在权衡资金投入与性能价格比的基础上本设计方案选定图3.2所展示的STM32F103C8T6型号单片机作为飞行控制系统的核心控制单元。该芯片采用3.3V直流供电体系封装形式为48引脚LQFP标准规格。作为意法半导体ST公司推出的中低端32位ARM架构微控制器系列STM32F系列以Cortex-M3内核为核心架构具备完整的运算处理能力能够全面满足飞行控制系统对控制精度、运算速度及扩展功能的各项技术指标要求。3.2.2 电源电路图3.3 升压电路在无人机使用时随着电池电量的持续消耗电池内电压下降至临界阈值如瞬间低于3.3V时常规稳压电路可能因输入电压不足而无法工作导致输出中断。为此需设计升压与稳压复合电源电路如图3.3所示具体实现如下1升压电路采用升压芯片(ICBL8530)内置BOOST型DC-DC转换器外接47uH电感作为能量存储核心配合芯片内部开关实现电压抬升。肖特基二极管用于电感放电回路抑制反向电流提升转换效率。 2稳压电路选用662K型稳压芯片作为升压电路的后续控制器通过PWM调制开关元件的导通/关断时间动态调整电压管理开关元件的操作确保在输入电压波动时仍然可以稳定提供3.3V电压。 3电容抑制输入纹波降低外部干扰对升压电路的影响平滑稳压电路的输出电压减少对负载的干扰。3.2.3 传感器电路MPU605传感器原理图如图3.4所示其内部有3轴加速度计和3轴陀螺仪的6自由度6-DoF运动处理传感器是 InvenSense公司旗下的一款产品。图3.4 MPU6050原理图MPU6050内置了一个温度传感器和一个数字运动处理器DMP可通过 I2C 接口与微控制器通信。其高集成度和低成本使其广泛用于无人机、平衡车、姿态检测、手势识别等应用。3.2.4无线通信模块图3.5 NRF24L01模块无线收发芯片NRF24L01作为一款具备高性价比特性的无线通信模块由NS公司研发设计其核心优势在于极低的功耗表现与成本优势因此在短距离无线通信领域获得了广泛应用。广泛用于短距离无线通信。在无人机应用中它通常用于实现遥控器与无人机之间的控制信号传输或多机间的简单数据交互如编队飞行。NRF24L01 的核心特性1通信频段2.4GHzISM频段全球通用。2传输速率最高2Mbps实际有效速率约 1Mbps。3通信距离理论最大 1000 米视环境而定实际空旷环境约 100-300 米。4接口SPI 通信支持多通道6 个独立接收通道。5功耗低至 12mA发射时适合电池供电设备。6多节点支持可配置为发送端TX或接收端RX支持点对点或星型网络。3.2.5 电机驱动电路图3.6 电机驱动电路电机驱动电路如图3.6所示在电机驱动电路中需要使用到电阻、MOS管以及电容这些元器件在控制电机运转时起重要作用。1100Ω限流电阻抑制MOS管导通瞬间的浪涌电流。电机启动时驱动电流可能瞬间超过MOS管额定值导致器件过热或损坏。100Ω电阻通过限制峰值电流延长MOS管使用寿命。210K下拉电阻确保芯片复位期间IO口稳定。单片机复位时IO口默认处于高阻态易受外界干扰误触发。10K下拉电阻将引脚电平拉至低电平防止复位期间MOS管误导通避免电机失控。 32302型MOS管通过PWM信号调节电机功率。MOS管导通阈值Vth3.3V满足单片机输出电平要求额定电流Id3A远超空心杯电机8520最大电流1A按2.5倍瞬态电流计算MOS管可承受约2.5A电流符合设计裕量要求。4电容平滑电源的电压减少电压波动和噪声确保电机稳定运行吸收电机产生的高频噪音。3.3 无人机PCB设计3.3.1 总体布局飞控板和遥控板设计都采用双面走线单面布局的方法。1遥控板为了在使用上更易于操控、更加人性化所以采用手柄式的设计如图3.7所示。图3.7 遥控板布局2主控板布局为了便于安装和尽量美观因此各种串线接口放置在边缘位置四个电机接口分别放置在四个角上指示灯放置在电机接口侧边使其运行状态更加可视化。同时扩展接口也应放置在边上比如SWD程序烧录口和供电接口等如图3.8所示。图3.8 主控板布局3.5.2 PCB走线在电路走线设计过程中需特别注意模拟地AGND与数字地DGND的分离布局以防止电机运行时产生的电磁干扰EMI传导至单片机及传感器模块影响系统稳定性。如图3.9所示。图3.9 主控板PCB走线在布局上为了避免电流信号干扰到无线信号主控板和遥控板的无线通信模块附近不能走线和铺铜如图3.10中方框就是天线位置。图3.10 主控板PCB走线传感器的电容要靠近放置同时传感器的底面大面积铺铜有利于散热和降低信号干扰如图3.11所示。图3.11 主控板PCB走线第4章 软件设计四旋翼无人机系统输入信号涵盖三类遥控器指令信号包含5路控制信号分别用于调节飞行器的前后、左右、垂直升降向上/向下、偏航顺时针/逆时针运动及定高模式作为系统目标设定输入姿态感知信号由MPU6050陀螺仪与加速度计传感器提供的6路数据用于实时获取飞行器当前姿态并与目标姿态对比形成闭环控制保障姿态稳定性高度感知信号激光光流传感器提供的实时高度数据与目标高度对比后实现闭环控制确保定高飞行功能。系统输出信号通过微处理器实现将遥控器目标信号与传感器测量信号姿态、高度进行串级PID控制最终输出至四个电机以调整运行状态[6]。四旋翼无人机控制系统输入、输出信号图如图4.1所示。图4.1 无人机控制系统图4.1 飞控板程序设计流程飞控板程序流程图如图4.2所示。鉴于四旋翼无人机控制系统为高实时性响应系统对时间敏感度要求极高因此需尽可能提升飞行器控制频率以缩短响应延迟。为优化时间分配策略本设计采用3ms中断周期作为时间基准。所有控制算法均通过分时调度在中断服务函数中执行主函数则负责周期性发送无人机姿态数据[7]。考虑到姿态解算过程耗时较长且实时性需求相对较低为避免频繁解算导致芯片性能过载将姿态解算周期设定为6ms。图4.2 飞控板程序流程图在流程图中mian函数中执行初始化函数的操作同时还会处理一些功能配置飞控板的主体功能是3ms中断里边执行因为数据的采集、滤波、姿态解算以及控制它们都具有周期性的特征。4.2 遥控器程序设计流程遥控器程序流程图如图4.3所示遥控器的程序在mian函数里面执行了初始化发送在10ms中断函数里面主要就形成了有规律性的遥控器控制频率周期。图4.3 遥控程序流程图4.3 无线通信控制四旋翼无人机的空中飞行姿态操控主要依赖于地面站或遥控器同时机体需实时向遥控器回传自身状态信息以便操作人员据此进行姿态调整或执行其他操作。本设计采用NRF24L01无线通信模块该模块内置2.4GHz通信基带作为协处理器与远程遥控器交互实现四旋翼无人机与遥控器间的指令传输。图4.4展示了四旋翼无人机基于NRF24L01的远程控制流程。系统上电后首先对NRF模块进行初始化设置包括配置寄存器及定义工作模式。在本设计中四旋翼无人机作为从机地面站作为主机。从机初始化完成后会广播设备信息以吸引主机连接。为确保连接安全性从机与主机需进行密钥配对认证认证通过后方可建立连接。连接建立后从机与主机开始指令交互。从机负责检测并执行用户指令同时向主机发送四旋翼无人机的状态信息主机则接收来自无人机的状态信息并向无人机发送遥控指令。此即为四旋翼无人机与地面站远程交互的完整任务流程。图4.4 无线通信控制流程图4.4 PID控制算法四旋翼无人机因其独特的结构对称性结合前文所述飞行原理可知欲实现无人机飞行姿态的调整仅需调节四个电机间的转速差异即可达成而要改变无人机的空间位置则需综合电机的总升力与无人机自身姿态共同作用。鉴于此将飞行控制系统划分为姿态控制系统与位置控制系统并分别开展独立的控制设计。然而在实际飞行过程中无人机的飞行姿态会对其空间位置产生直接影响。若将无人机姿态控制器定义为内环控制器位置控制器定义为外环控制器则基于数字式PID控制算法存在两种实现方式位置式PID控制算法与增量式PID控制算法。本文采用增量式PID算法[8]其表达式如式4.1。4.1在式4.1中,为比例系数,1为积分系数,微分系数.()是第k次采样时刻算出的PID值()是第k次采样时刻控制器输入的偏差。4.2四旋翼无人机的飞行姿态取决于偏航角、横滚角和俯仰角这三个关键参数其在各自由度上均呈现二阶系统特征。针对此类系统采用PID控制策略PID控制通过将复杂的非线性多变量输入多变量输出控制问题简单化转化为两输入单输出的简化控制如公式4.2所示。4.3在表达式4.3中Ρ1、Ρ2、Ρ3、Ρ4表示控制四个电机时PWM值Ρh的意思是悬浮时无人机的PWM值范围。Ρ、Ρ、Ρ分别为俯仰角偏差和横滚角偏差以及航向角偏差。Ρ、Ρ、Ρ采取串级PID控制算法外回路是角度控制回路内回路是角速度控制回路。三个角度的控制规律是一致的以横滚角的控制为例如图4.5所示其中为控制飞行器的期望横滚角和分别表示飞行器横滚角角度和横滚角角速度。1是外环PID的输出值是内环PID控制器的输出值且Ρ。图4.5 串级PID控制图第5章 调试5.1 调试环境搭建本次飞行试验以四旋翼无人机为对象主要任务是在地面理想环境条件下对飞行器开展一系列飞行测试涵盖俯仰特性测试、翻滚性能测试、偏航精度测试、拉力承载测试等。试验旨在验证四旋翼飞行器的功能完整性及各项技术指标的达标情况并通过大量飞行测试数据挖掘STM32飞控系统的潜在优化空间并进行改正。调试分为地面调试和试飞微调。在地面调试时为了不让无人机失控伤到人或者损坏调试时搭建架子对无人机进行限制。如图4.6所示在底部用细线将机架与铁棍绑好固定限制机体左右移动和震荡幅值过大并约束飞行时左右旋转和垂直运动。这种调试方法对无人机控制的约束最小俯仰角参数和偏航角控制参数相一致接近真实飞行状态的同时可以在进行调试时进行很好的观察飞行现象和修改微调参数。图5.1 无人机调试环境搭建5.2 软件参数调试四旋翼无人机的参数调试有三个分别是MPU6050加速度计的卡尔曼滤波参数调试、姿态解算参数调试以及PID参数调试。5.2.1 加速度的卡尔曼滤波参数调试卡尔曼滤波主要调整一个参数这个参数为测量噪声修改如图5.1a所示方框内的参数就可以修改测量噪声参数越大数据携带的噪声越大滤波的效果越大[9]。在调整好滤波后通过上位机看数据波形如图5.1b所示可以发现滤波后的波形效果还是可以的。ab图5.1 卡尔曼滤波参数调整5.2.2 姿态解算滤波参数调试鉴于陀螺仪存在积分误差问题在长时间运行条件下其积分所得角度值的误差会显著增大而加速度计因电机运转会产生较大噪声且此噪声不随时间推移而改变。因此采用加速度计对陀螺仪的积分误差实施补偿。互补滤波机制是针对误差开展PI运算后将结果反馈补偿至陀螺仪系统当P值与I值增大时会增强加速度计在系统中的作用效果通常P值设定在2左右I值设定在0.002左右P、I参数的具体数值取决于传感器硬件特性。加速度计所测角度值与经互补滤波处理后的角度值对比情况如图5.2所示。由图可知经互补滤波处理后的数据相较于加速度计直接测量的角度值具有更高的稳定性且不会出现过冲等异常现象[10]。图5.2 加速度经过滤波的角度值变化5.2.3 PID参数调试角度平衡系统采用了串级PID双环控制策略其核心特征在于内环以角速度控制为主导而外环则基于内环的输出进行进一步调节。在该控制架构中参数整定遵循“以内环定调”的原则即优先确定内环控制参数再根据内环性能调整外环参数如图5.3所示。图5.3 PID调节流程图在针对多环PID控制系统的参数整定过程中需遵循特定的顺序以确保系统稳定性和控制性能。具体的整定顺序应优先完成平衡环涵盖横滚与俯仰方向的参数配置随后进行偏航环的参数调整。关于PID参数的修改操作其实现方式如图5.4所示该过程支持通过软件界面进行持续迭代式的参数修改和编译验证。下载到飞控板中观察现象实现边调试边观察。图5.4 软件PID参数修改因为偏航角是由角速度积分出来的角速度自身是很稳定的所以PID数值范围很大一般取1~5倍的姿态角作为其控制参数。转向环也在角度控制范畴通常加一些微分控制从而使转向速度加快控制收敛速度。经过修改后可以获得较为平滑的角度响应波形如图5.5所示[11]。图5.8 角度响应波形图5.3 飞行测试在进行飞行测试试验时首先需要检查好设备机械的完好性确保构架稳固避免因线路或者结构问题导致失控掉落伤人。场地方面要选择空旷的室外最好是在有草地的地方因为在试飞时对无人机的性能、操作都不太熟练可能会造成无人机摔落在草地上可以起到缓冲作用尽可能地保护无人机。1先进行无人机两种飞行模式的动态测试包括垂直起降空中定点测试。把无人机按照指定方向放在地面插入电池无人机指示灯快速闪烁向右推开遥控器开关等待无人机和遥控器配对配对成功之后指示灯常亮。油门杆向上推再向下推之后解锁油门听到滴的一声表示飞控已经解锁完成可以进行飞行测试。无人机在空中飞行时会出现左右摇晃的情况但是总体上可控不会出现偏航或者失灵的情况图5.9飞行器定点飞行现场测试图。图5.9 无人机起降飞行图2接下来使用遥控器完成无人机的前进和后退如图5.10所示图中的无人机正在往前飞行。图5.10 无人机前进飞行图3接下来操作无人机完成左右方向的滚转测试遥控器控制无人机往右飞行图5.11中无人机正在向右飞行且飞行状态比较平稳滚转飞行测试成功。图5.11 无人机转向飞行图4接着进行的实验是无人机偏航测试也就是飞行器往左右转头遥控飞行器完成往右转向在图5.12中飞行器处于往右转向的飞行过程中无人机表现的很平稳测试结果较为完美。图5.12 无人机转头飞行图第6章 总结与展望6.1 工作总结本设计着力于构建基于STM32嵌入式系统的无人机飞行控制系统针对无人机姿态控制算法进行系统性研究。通过文献梳理了飞行控制系统的发展成就结合无人机动力学模型与控制理论。该架构整合了传感器融合、动力调控和无线通信三大功能模块形成完整的闭环控制系统。在硬件实现层面本研究构建了模块化硬件体系采用MPU6050惯性测量单元实现六轴姿态感知运用PWM脉宽调制技术实现电机的精准调速设计基于NRF24L01的无线通信构架开发了具有过载保护功能的多级电源稳压电路。通过电路仿真与实物测试验证了各模块的协同工作性能。软件系统设计方面驱动层使用传感器实现对数据的采集与预处理控制层使用姿态解算算法应用层完成飞行参数动态调整。设计了基于四元数的互补滤波算法有效提升了姿态解算的实时性和精度。实验验证环节采用自主设计的测试平台通过静态参数标定、动态响应测试和实际飞行验证三个阶段系统性地评估了控制系统的稳定性。本设计实现了飞行控制系统从理论建模到工程实现的完整闭环所提出的模块化设计方法和分层控制策略为小型无人机系统开发提供了新的技术路径具有一定的工程应用价值。6.2 不足与改进1控制系统依赖于遥控指令功能局限性强。未来可以结合传感器技术如激光雷达、视觉传感器与智能控制算法实现无人机自主环境感知、路径规划与动态避障避免单一遥控模式提升系统智能化水平。2受限于锂电池能量密度现有四旋翼无人机续航普遍不足1小时。未来需探索新型高能量密度电池如固态电池、氢燃料电池及轻量化材料如碳纤维复合材料、3D打印结构通过能量密度提升与机身减重双路径实现续航能力的提升。3无人机飞行易受气流、电磁干扰等因素影响导致传感器数据偏差与控制失效。未来需引入自适应控制、容错控制等先进算法结合多传感器融合技术如IMUGPS视觉提升系统抗干扰能力与控制稳定性确保复杂环境下的可靠运行。4改进飞控和遥控的通信方式。现有2.4GHz无线通信模块受限于传输距离约1-2公里难以满足远距离飞行需求。未来可以利用5G/6G通信技术实现远距离飞行。5增加传感器和功能模块使其功能完善如增加导航芯片和加上摄像头使其可以跟踪拍摄、巡逻。参考文献吴庭斌,谢润心.四旋翼无人机结构设计[J].电子产品世界,2024,31(08):5-8.熊赢超.四轴无人机的设计与优化[J].机械工程与自动化,2022,(05):124-125128.杨宇.基于单片机的2种PWM控制算法探析[J].有色金属设计,2021,48(03):71-73.徐琬婷,张强强,梅源.小型四旋翼无人机姿态控制研究[J].新乡学院学报,2024,41(03):57-6176.许风,谭兴龙.多种传感器融合的四旋翼飞行器姿态解算[J].测绘科学,2024,49(08):81-90.胡徐胜,郑睿,陶彬彬.四旋翼无人机飞控系统设计与实现[J].廊坊师范学院学报(自然科学版),2021,21(04):46-50.王建山,卢利中,丁伟,等.四旋翼无人机飞行控制算法设计及仿真分析[J].中国新技术新产品,2023,(22):11-13.高善平,李冲.基于不同PID控制器的无人机姿态控制对比研究[J].普洱学院学报,2023,39(03):24-26.胡开明,李跃忠,刘薇.基于卡尔曼滤波的四旋翼飞行器控制算法[J].探测与控制学报,2020,42(01):50-55.黄智,张建强,苏润丛.基于混合滤波的四旋翼无人机抗干扰姿态控制系统设计[J].计算机测量与控制,2021,29(09):105-109.何凡锋,刘晓波,丁浩.基于Keil的无刷直流电机建模仿真与实验验证[J].电子制作,2023,31(03):95-99104.李其阳,林显新,石宇禾.基于STM32的无人机2.4G无线通讯系统设计[J].中国机械,2024,(15):10-15.致谢通过本次的设计我学习到了很多知识也对大学四年的知识进行了回顾总结使我受益良多随着论文的撰写结束也意味着我的学生时代即将结束从而迈向社会。论文总体完成了对系统的构想但受到时间、能力方面的限制有很多功能都无法完成在即将完成论文之际我想对许多人表示我由衷的感谢。首先我要感谢我的导师甘夏冰他平易近人、不辞辛苦、严格要求甘老师认真仔细地审阅论文内容给予我很多宝贵的意见建议在遇到困难时给我以鼓励极大地帮助我完成毕业设计。感谢各位师兄师姐以及同学在我的学校路上提供了帮助和建议谢谢你们的鼓励支持。感谢我的家人感谢你们一直以来的理解、鼓励和无条件的支持你们是我求学路上最坚强的后盾。希望大家在未来的工作生活中一帆风顺共同进步。