四旋翼飞行器.doc

附件1：
“我为智慧校园做贡献——创新创意设计大赛”
参赛材料审核表
填写日期：2015年 4 月 21 日
作品名称：基于STM32的四旋翼飞行器
项目负责人：王俊 联系方式：15651893633
指导老师： 单峡 联系方式：18913805551
所在学院：电子信息工程学院
参赛类别
þ创新应用
þ公共专题组
□指定专题组
□ 文化创意
□公共专题组
□指定专题组

□ 1. 参赛材料审核表 (附件一)
□ 2. 作品原创声明书 (附件二)
□ 3. 作品概要说明表 (附件三)
□ 4. 作品详细说明书 (附件四)
□ 5. 作品演示材料 （演示视频或PPT文件）
以下数据报名团队请勿填写

报名编号：
【审核结果】
一、□合格
二、□不合格，原因如下：
□ (一)该队申请文件不齐全，缺少上述第＿＿＿项数据
□ (二)该队的申请数据与规定第＿＿＿项不符
□ (三)该队逾期报名
□ (四) 其他

附件2：
“我为智慧校园做贡献——创新创意设计大赛”
原创作品声明书

本团队 基于STM32的四旋翼飞行器 因参加“我为智慧校园做贡献——创新创意设计大赛”，除保证确实了解参赛规则及遵守评审的各项规定外，兹同意并承诺下列事项：
一、本团队证明所填写的各项资料确实无误，同时皆符合主办单位所制定的比赛规则，若查有不实者，主办单位可随时取消本队参赛资格，若已领取奖项，主办单位可以追讨已发放的奖金及奖状。
二、本团队成员报名后若有变更，须主动书面通知主办单位，并变更成员相关资料，待主办单位审核同意后开始生效。
三、参赛团队保证所提供的产品及所填资料，不得剽窃、抄袭或侵占他人专利权、著作权等，如与事实不符或侵害他人权益者，将立即取消参赛资格，并负一切相关的法律责任。
四、其他：本办法未规定的事项或有不周之处，一概依大赛主办单位处理。
参赛团队亲笔签名
参赛成员一 ： （学号： 1305102081 ）
参赛成员二 ： （学号： 1305102087 ）
参赛成员三 ： （学号： 1305102043 ）
参赛成员四 ： （学号： ）
参赛成员五 ： （学号： ）

附件3：
“我为智慧校园做贡献——创新创意设计大赛”
作品概要说明表
参赛类别： 创新应用 报名编号：
作品名称： 基于STM32的四旋翼飞行器
所在学院： 电子信息工程学院 指导老师/指导人：单峡
项目负责人: 王俊
项目成员： 祁彤 贲杰
一、作品简介
针对四旋翼飞行器，我们设计并实现了一种基于STM32的微型飞行控制器 。以新型ARM Codex-M3内核微处理器 STM32 作为计算控制单元 ，对飞行控制器进行了模块化设计，包括主控、惯性测量、执行驱动等单元模块 。设计了一种基于分布式融合滤波器的飞行姿态解算方法，并针对四旋翼飞行器的控制特点设计了控制律。此飞行器其具有体积小 、功耗低、硬件和软件资源丰富，开发效率高、成本低等优势。
二、主要界面

图1 作品全貌

主界面：STM32F103CBT6主控芯片、陀螺仪、加速度计、蓝牙模块、无线通信模块、四个无刷电机、电源。

三、创新要点
1.主控模块采用STM32F103CBT6主控芯片，提高了模拟信号的高精度采集能力。同时具有多个通信信道、充足的负载伺服机输出通道机数据接口。
2.数据采集模块，提高了飞行器的可靠性和稳定性。
3.遥控信号接收处理模块，提取接收机中PWM信号，直接由处理器捕获并进行解码，大大的节约空间资源，更利于控制器微型化。
4.执行机构驱动模块，选用无刷电机，使迅速增速和减速。
5.多种模式选择，分别有遥控模式和自动巡航模式。
6.飞行器及遥控器的细节处再次修改，新设计更合理。
7、外扩接口很多，可以适应不同的无线控制方式，SPI、UART、IIC、PWM输入、SWD等。
8、机身ＬＥＤ可以随意通过遥控器来控制开、关。
9、锂电低电量提醒，飞行器锂电快用完时，机身ＬＥＤ会快速闪烁，蜂鸣器会报警。
10、板载电源开关，以后可以不用拔电池，直接关掉开关就行。
11.无线模块采用2.4G，24L01PA带功率放大器，无线超过１００米。
12.普通的四旋翼只有一级滤波算法，我们在此基础上改进了滤波算法，使用多级滤波，包括滑动算术平均值、中值平均滤波、加权滑动平均值滤波、限幅消抖滤波等滤波算法。
13.改进了姿态解算算法，使用四元数算法导出姿态。
14.放弃原先的一级PID控制，使用串级PID控制。使得姿态更加稳定。

四、开发环境
软件开发环境：Keil MDK
调试环境：调试云台。
技术要求：STM32 编程 PID算法 结连惯导算法 四元数姿态解算 电子设计
五、结语
以前我们都是做些智能小车、智能风扇、金属探测器等一些电子小产品，这次我们挑战天上飞的电子小玩意-四旋翼飞行器。对于在飞行器控制方面零基础的我们，在做此产品之前，需要学习大量的知识如 PID算法、结连惯导算法、四元数姿态解算等，所以规定的比赛时间对我们来说很紧凑。但是，时间就像海绵里的水，挤挤还是有的。我们在算法设计方面遇到很多困难，只为飞行器的控制更加灵活和多样。
团队的力量很重要。大家都互相取长补短，各自学到了很多知识。有时也会存在思想冲突，不过大家都会各自妥协，保持和睦的关系。
如果时间允许的话，会进一步添加GPS导航功能，摄像头实现航拍功能，环境信息采集与传输，增加气压计，数字罗盘等传感器给飞行器上系统增加稳定性。

附件4:
“我为智慧校园做贡献——创新创意设计大赛”
作品详细说明书
参赛组别： 创新应用类 报名编号：
作品名称： 基于STM32的四旋翼飞行器
所在学院： 电子信息工程 指导教师/指导人：单峡
项目负责人：王俊
项目成员： 祁彤 贲杰
一、作品说明
（一）创作目标与背景
四轴飞行器要完成各种任务就需要人工无线电遥控导航或者自主导航。人工遥控导航飞行只能在视野范围内进行，如果四轴飞行器要执行视野范围外的任务，就必须自主导航。常规飞行器一般用惯性导航设备或多普勒测地速设备，但由于庞大的体积、昂贵的价格等因素，难以应用于轻巧而廉价的四轴飞行器。用于民用型的自主巡航飞行器可执行灾情调查救援任务如水灾、火灾、地震等；喷洒农田、林区农药；监测化工厂等危险场所的危险气体的浓度；巡查输油管线、输电线路；连续监控重要的设施；区域性空－地、空－海通讯中继；当对特定地区进行日常环境监测的时候，用这种飞行器来执行也很方便和高效，自主巡查完后可以自动返回目的地并自动记录下存储的数据，大大减少了人力成本。据报道自2010年9月起，为了提高输电线路的巡检水平，江西省电力公司采用了无人机航巡输电线路，对输电线路本体缺陷、通道隐患进行快速探测，在各种地形复杂、气候恶劣的不利条件下，在第一时间里准确、及时、高效地取得现场资料。
典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾浆。他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。四旋翼飞行器与此不同，是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力不稳定，所以需要一种能够长期确保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。
创作目标：针对四旋翼飞行器，设计并实现了一种基于STM32的微型飞行控制器 。以新型ARM Codex-M3内核微处理器 STM32 作为计算控制单元 ，对飞行控制器进行了模块化设计，包括主控、惯性测量、执行驱动等单元模块 。设计了一种基于分布式融合滤波器的飞行姿态解算方法，并针对四旋翼飞行器的控制特点设计了控制律。
（二）功能说明
作品简介：针对四旋翼飞行器，设计并实现了一种基于STM32的微型飞行控制器 。以新型ARM Codex-M3内核微处理器 STM32 作为计算控制单元 ，对飞行控制器进行了模块化设计，包括主控、惯性测量、执行驱动等单元模块 。设计了一种基于分布式融合滤波器的飞行姿态解算方法，并针对四旋翼飞行器的控制特点设计了控制律。此飞行器其具有体积小 、功耗低、硬件和软件资源丰富，开发效率高、成本低等优势。

功能描述：1.手动遥控飞行，通过无线遥控控制，无线控制可达100米远。
2.定点路线飞行。

主界面：STM32F103CBT6主控芯片、陀螺仪、加速度计、蓝牙模块、无线通信模块、四个无刷电机、电源。微型四旋翼飞行器是一种具有 4 个对称分布的旋翼 、由电驱动、能垂直起降的飞行器。具有结构简单、稳定性好、承载能力强的特点。此飞行器其具有体积小 、功耗低、硬件和软件资源丰富，开发效率高、成本低等优势。

模块介绍：
1. 主控模块
主控制模块是STM32F103CBT6芯片 ，它应具有多路模拟信号的高精度采集能力 ；输 出PWM脉冲控制信号能力；具有PPM (pulse position m odulation) 信号捕获解码能力；此外 ，还应具 有多个通信信道、充足的负载伺服机输出通道以及数据接口．考虑到不同环境下调试的便捷性 ，主控模块设计了 2 种程序下 载方案 即 JTA G 方式以及 ISP 方式 ，并预留了多个负载外设接 口以满足照相 机等负载设备的控制需求。

图2 主控芯片STM32F103CBT6

2. 数据采集模块
为了提高飞行器控制可靠性，需要得到飞行器的俯仰和滚转角作为姿态 反馈，形成闭环控制．为提高其飞行稳定性，需加入角速率反馈以增加阻尼．飞行器的飞行姿态通过惯性测量 单元来狭取，包括3只 M E M S 陀螺仪、三轴加速度传感器和全向磁场传感器以及高精度达15 cm 的静压高度计．行器位置信息通过定位系统获取。
控制器中选用 MPU6050 三轴加速度计和陀螺仪作为角速度传感器．3个角速率陀螺按 X—Y-Z 轴两两垂直的方式安装，其中X-Y-Z轴分别检测滚转、俯仰、偏航角速率.加速度计和角速率陀螺通过 SPI 接口与处理器进行通讯 ．

图 3 MPU6050

3. 遥控信号接收处理模块
设计中采用了一种新的方法获取遥控信号，即对遥控信号接收机进行改造 ，提取接收机中未解码的信号即 PPM 信号，直接由处理器捕获信号并进行解码，该方案大大节约了空间资源，更有利于控制器微型化．

图4 NRF4L01无线模块

4. 执行机构驱动模块
由于四旋翼飞行器要实现自主悬停的关键是需要飞行器在倾斜时能在最短的时间内回到平衡位置 ，这就要求执行机构能够快速反应 ，即能 迅速地增大或减小转速．针对四旋翼飞行器 ，执行机构中选用了无刷 电机，无刷电机需要配以无刷电调使用。
常见产品电调 采用的是PPM 信 号，周期为20 m s ，这样的响应速度不能适应四轴飞行器对马达控制响应速度的需求； 因此 ，需要采用自行设计的I C接口电调，它的响应周期为2 m s．
控制器通过检测反电势过零点控制 电机换相进而控制 电机转速．无刷电调设计 的关键技术是如何实现反电势过零检测 ．尽管可以用A D 实现过零检测 ，但采用A D采 样方式会增加程序的运行时间降低效率 ，并且由于不需要获取每时每刻的电压值，因而只需检测反电动势过的时刻，使得问题得到简化。在电机驱动方面采用了全桥驱动电路，即使用一对 P 沟道和N 沟道的 POWER MOSFET 进行控制。此外该电路的设计有2 点需要注意，即采用适当的抗干扰措施同时电路布局应该合理可行，方便散热。
软件设计流程：
本控制器的软件部分采用C语言编制，主要完成硬件平台初始化、数据采集处理、遥控信号解码 、电机控制 、姿态角 解算以及控制律的实现．主程序流程图如下．

四旋翼飞行原理图:

图1：电机驱动模块原理图

图2：LED驱动原理图

图3：STM32主控芯片原理图

图4：MPU6050三轴加速计与陀螺仪原理图

图5：NRF24L01无线模块原理图

（三）创新要点
1.主控模块采用STM32F103CBT6主控芯片，提高了模拟信号的高精度采集能力。同时具有多个通信信道、充足的负载伺服机输出通道机数据接口。
2.数据采集模块，提高了飞行器的可靠性和稳定性。
3.遥控信号接收处理模块，提取接收机中PWM信号，直接由处理器捕获并进行解码，大大的节约空间资源，更利于控制器微型化。
4.执行机构驱动模块，选用无刷电机，使迅速增速和减速。
5.多种模式选择，分别有遥控模式和自动巡航模式。
6.飞行器及遥控器的细节处再次修改，新设计更合理。
7、外扩接口很多，可以适应不同的无线控制方式，SPI、UART、IIC、PWM输入、SWD等。
8、机身ＬＥＤ可以随意通过遥控器来控制开、关。
9、锂电低电量提醒，飞行器锂电快用完时，机身ＬＥＤ会快速闪烁，蜂鸣器会报警。
10、板载电源开关，以后可以不用拔电池，直接关掉开关就行。
11.无线模块采用2.4G，24L01+PA带功率放大器，无线超过１００米。
12.普通的四旋翼只有一级滤波算法，我们在此基础上改进了滤波算法，使用多级滤波，包括滑动算术平均值、中值平均滤波、加权滑动平均值滤波、限幅消抖滤波等滤波算法。
13.改进了姿态解算算法，使用四元数算法导出姿态。
14.放弃原先的一级PID控制，使用串级PID控制。使得姿态更加稳定。

（五）作品服务对象
用于民用型的自主巡航飞行器可执行灾情调查救援任务如水灾、火灾、地震等；喷洒农田、林区农药；监测化工厂等危险场所的危险气体的浓度。
（六）系统运行环境
可以在空中飞行，也可以在高空进行作业。
二、团队介绍
（一）主要成员简介
王俊：13电子信息工程3班，E&C电子协会社长、C508与C509电子创新实验室负责人、电子信息工程学院科创部副部，获得证书有：计算机二级优秀证书,计算机三级嵌入式合格证书，英语四级合格证书。
获得荣誉有：江苏省大学生电子设计竞赛二等奖、信息学院摄影大赛三等奖、金科电子设计竞赛一等奖、校级优秀学生奖学金、校级三好学生。
贲杰：13电子信息工程3班，生活委员，E&C电子协会成员，获得的证书和荣誉有：计算机二级合格证书，校安全知识竞赛二等奖，信息学院摄影大赛三等奖，金科电子设计竞赛二等奖，青奥优秀志愿者，国家励志奖学金。
祁彤：13电子信息工程2班，生活委员E&C电子协会成员，，全国计算机二级考试优秀，英语四级合格。