發(fā)布時間：2020-11-22 08:51

　　 四軸飛行器作為近年來科技發(fā)展的重要產(chǎn)物,已經(jīng)受到了科研愛好者和商業(yè)公司的廣泛關注。雖然國內(nèi)外已有許多成熟的四軸飛行器產(chǎn)品,但是對于操作者而言,控制飛行器并不是一件十分容易的事,因此對于四軸飛行器的結構和控制算法的改進及優(yōu)化仍是目前研究的重點。本文的研究內(nèi)容和主要方法如下:1.研究了四軸飛行器結構特點。提出了一種可裁剪的嵌入式硬件結構,闡明了各硬件模塊的特點和優(yōu)劣性。根據(jù)不同環(huán)境自由選用合適的傳感器模塊,拓展了四軸飛行器的應用面。2.研究了STM32微控制器資源。根據(jù)其定時器的特點設計出了針對于四軸飛行器的任務分配機制,同時實現(xiàn)了微控制器的輸入輸出信號的捕獲和比較,為四軸飛行器遙控信號的監(jiān)測和電機控制信號的輸出奠定了基礎。3.研究并實現(xiàn)了四軸飛行器姿態(tài)解算和控制算法。該算法使用四元數(shù)法求取姿態(tài)角,考慮到求得姿態(tài)角中存在的誤差,本文提出了一種基于傳感器數(shù)據(jù)融合消除姿態(tài)角誤差的方法,提高了姿態(tài)角解算的精確性。4.研究并實現(xiàn)了四軸飛行器高度控制和位置控制算法。每種控制算法都設計了2種實現(xiàn)方案,由相應的傳感器完成高度或位置數(shù)據(jù)的監(jiān)測,可根據(jù)實際環(huán)境自由選擇控制模式。5.研究了PID控制算法。為了進一步提高控制精度,本文提出了使用串級PID算法對飛行器的電機進行控制,以外環(huán)控制器的輸出作為內(nèi)環(huán)控制器的期望值,大大提高了四軸飛行器飛行過程中的穩(wěn)定性。6.設計了四軸飛行器與地面站之間的通信協(xié)議并對控制算法進行實驗。實驗中分別對四軸飛行器的姿態(tài)、高度和位置控制的情況進行了觀測和分析。通過通信協(xié)議傳回地面站的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),本文使用的四軸飛行器控制算法應用場景廣泛,并且具有較高的穩(wěn)定性和魯棒性。
【學位單位】：華東師范大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：V249.1
【部分圖文】：

圖 3- 2 飛控板 PCB 設計圖Fig. 3- 2 Flight control board PCB design3.2 微控制器四軸飛行器的微控制器采用STM32F407，STM32F407屬于CortexM4內(nèi)核，具有低門電路數(shù)，低中斷延遲和低成本調(diào)試等特點，其基本電路和引腳定義如圖3-3 所示。將 STM32F407 作為四軸飛行器的微控制器，是因為其具有以下優(yōu)勢：（1）運行速度快：STM32F407 最高運行頻率可以達 168MHZ，尤其適用于浮數(shù)據(jù)的運算和處理，擁有自適應實時加速器 ART；（2）資源豐富：STM32F407 支持 CompactFlash、SRAM、PSRAM、NOR 和 NAN存儲器，擁有高達 1MB 的 Flash 和 192KB 的 SRAM，具備靈活的靜態(tài)存儲控

圖 3- 3 STM32F407 基本電路和引腳定義Fig. 3- 3 STM32F407 basic circuit and pin definition 驅(qū)動模塊軸飛行器的驅(qū)動模塊由電子調(diào)速器，無刷電機和螺旋槳組成[8]。電飛控板輸出的調(diào)速信號控制電機帶動螺旋槳轉動，產(chǎn)生飛行所需要成飛行器的動力系統(tǒng)。.3.1 電子調(diào)速器子調(diào)速器簡稱電調(diào)，針對不同電機可分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)，本調(diào)，其一端連接飛控板用于接收 PWM 調(diào)速信號，另一端連接電機統(tǒng)輸出的 PWM 信號調(diào)節(jié)電機的轉速。電子調(diào)速器實物圖如圖 3-

圖 3- 4 電子調(diào)速器實物圖Fig. 3- 4 Physical map of electronic speed control電機叫交流電機，采用變頻調(diào)速法，雖然調(diào)速結構復率高等優(yōu)點。同時，與有刷電機相比，相同體積，可提供更強力的飛行動力。無刷電機內(nèi)部有三號進行變頻調(diào)速，改變各槳葉的升力與反扭矩，
【參考文獻】

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本文編號：2894440