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参赛-基于STM32F4的四轴航拍飞行器（开源分享）

发布时间：2015-01-06 更新时间：2020-09-07

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参赛-基于STM32F4的四轴航拍飞行器（开源分享）

发布：2015-01-06 更新：2020-09-07

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四轴航拍飞行器功能概述：

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。

四轴航拍系统设计框图：

航拍飞行器视频演示：

系统硬件设计组成：

本设计采用 STM32F407 作为核心处理器，该处理器内核架构ARMCortex-M4，具有高性能、低成本、低功耗等特点。主控板包括传感器MPU6050电路模块、无线蓝牙模块、电机启动模块，电源管理模块等；遥控使用商品遥控及接收机。控制芯片捕获接收机的PPM命令信号，传感器与控制芯片之间采用IIC总线连接，MCU与电调之间用PWM传递控制信号。

四轴飞行器硬件清单：

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

注：芯片的数据手册等信息可以在集成电路查询网站搜索 https://www.datasheet5.com/

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系统软件设计：

软件设计上由控制核心STM32F4读取传感器信息，解算姿态角，以姿态角为被控制量融合遥控信息后，输出到四个电机及两个舵机以完成四轴飞行控制和云台的稳定补偿。

软件流程图：

控制设计心得：

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。

飞行器实物展示：

飞行器试飞心得：

飞行试验是对控制系统的功能和技术指标进行验证的最终手段，也是衡量四轴设计是否成功的重要标志。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。

附件内容包括：