摘要

本設計是基于STM32F4的四軸航拍平臺。以STM32F407為控制核心，四軸飛行器為載體，輔以云臺的航拍系統。硬件上由飛控電路，電源管理，通信模塊，動力系統，機架，云臺伺服系統組成。算法上采用簡潔穩定的四元數加互補濾波作為姿態解算算法，PID作為控制器，實現飛行，云臺增穩等功能。具有靈活輕盈，延展性，適應性強好等特點。

1.引言

四軸飛行器是一種利用四個旋翼作為飛行引擎來進行空中飛行的飛行器。進入20世紀以來，電子技術飛速發展四軸飛行器開始走向小型化，并融入了人工智能，使其發展趨于無人機，智能機器人。

四軸飛行器不但實現了直升機的垂直升降的飛行性能，同時也在一定程度上降低了飛行器機械結構的設計難度。四軸飛行器的平衡控制系統由各類慣性傳感器組成。在制作過程中，對整體機身的中心、對稱性以及電機性能要求較低，這也正是制作四軸飛行器的優勢所在，而且相較于固定翼飛機，四軸也有著可垂直起降，機動性好，易維護等優點。

在實際應用方面，四軸飛行器可以在復雜、危險的環境下可以完成特定的飛行任務，也可以用于監控交通，環境等。比如，在四軸飛行器上安裝甲烷等有害氣體的檢測裝置，則可以在高空定點地檢測有害氣體；進入輻射區檢查核設施；做軍事偵察；甚至搬運材料，搭建房屋等等。本設計利用四軸搭載云臺實現航拍任務，當然經過改裝也可以執行其他任務。

本設計主要研究了四軸飛行器的姿態結算和飛行控制，并設計制作了一架四軸飛行器，對關鍵傳感器做了標定，并利用用matlab分析數據，設計算法，還進行了單通道平衡試驗調試，進行試飛實驗取得了一定的效果。

2.系統方案

本設計采用STM32F4作為核心處理器，該處理器內核架構? ARM?? Cortex-M4，具有高性能、低成本、低功耗等特點。

主控板包括傳感器MPU6050電路模塊、無線藍牙模塊、電機啟動模塊，電源管理模塊等；遙控使用商品遙控及接收機。控制芯片捕獲接收機的PPM命令信號，傳感器與控制芯片之間采用IIC總線連接，MCU與電調之間用PWM傳遞控制信號。

軟件算法才用基于四元數的互補濾波解算姿態叫，控制算法才用經典PID控制器控制云臺舵機和四軸電機。如圖2-1為本設計總體框圖。

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3.系統硬件設計

針對前面提出的整體設計方案，本設計采取模塊化策略,將各個功能部分開來設計，最后組合起來。

3.1 電源管理模塊

四軸飛行器要求整體設計質量較輕，體積較小，因此在電池的選取方面，采用體積小、質量輕、容量大的鋰電池供電最合適。系統的核心芯片為STM32F103，常用工作電壓為3.3V，同時慣性測量傳感器，藍牙通信模塊的常規供電電壓也為3.3V，鋰電池的電壓為11.4V，要使系統正常工作，需要將11.4V的鋰電池電壓穩壓到3.3V。常用的78系列穩壓芯片已不再適用，必須選擇性能更好的穩壓芯片。

經綜合考慮，本電路采用LM1117-3.3和LM2940-5電源部分的核心芯片。電池電源經過LM2940-5降到5V后在輸入LM1117-3.3穩壓為3.3V。由于電機部分電流較大，故在飛控電路部分加入了過流保護，使用500mA的保險絲。電路圖如下。

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表3-1 四軸飛行器硬件清單

4.系統軟件設計

軟件設計上由控制核心STM32F4讀取傳感器信息，解算姿態角，以姿態角為被控制量融合遙控信息后，輸出到四個電機及兩個舵機以完成四軸飛行控制和云臺的穩定補償。下圖是軟件流程：

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4.1.四元素計算姿態角的實現

根據前面給出的姿態解算方程與四元數，即可得到姿態計算系統的計算原理如下圖（4-1）

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本設計基于互補濾波的思想上完成的四元素算法，其核心思路為利用加速度測得的重力向量與估計姿態得到重力向量的誤差來矯正陀螺儀積分誤差，然后利用矯正后的陀螺儀積分得到姿態角。