一、项目概述
1.1 项目摘要
四轴飞翔器具有不安稳，非线性特性，姿势操控为四轴飞翔器操控体系的中心。机械部分树立四个具有对称结构的螺旋桨叶和驱动电机。电气部分则选用STM32为操控中心的惯性参阅模块作为姿势操控板，经过四轴飞翔器的飞翔原理，树立数学模型，规划四轴飞翔器的姿势操控体系。陀螺仪，加快度，地磁计别离收集运动轨道数据，姿势批改，进行航向操控，选用PI算法进行姿势角的闭环操控。别的运用一块STM32作为自主飞翔操控板，两块主控芯片经过无线串口进行数据传送，当姿势操控板遭到来自飞翔操控板的操控信号时，姿势操控板经过数字操控总线操控四个电调，电调再把操控信号转化为电机转速操控电机运转，到达飞翔作用。
1.2 项目布景/选题动机
四轴飞翔器有着其他类型航模无与伦比的优势，悬停安稳，不需要占用很大的面积空间；机械结构简略，保护便利，飞翔损耗本钱低；可扩展性好，在四轴飞翔器上能搭载摄像头，或许其他传感器，运用远景广泛，可用于军事，救援等特殊使命。而四轴飞翔器的操控中心是姿势操控，而iNEMO模块则为四轴飞翔器树立了根底的操控硬件渠道。
二、需求剖析
2.1 功用要求
(1) 传感器要求可以检测四轴飞翔器的航向，姿势信息。
(2) 主控器能快速取得各个传感器的数据，并进行数据处理。
(3) 各个电机要能进行实时调速，完成安稳飞翔。
(4) 飞翔操控板与姿势操控板进行必定间隔实时通讯，并能操控飞翔器的快速调速以完成飞翔操控。
(5) 经过无线通讯获取地磁模块地磁与加快度原始数据，经过飞翔操控板进行处理并显现航向。
(6) 经过对电源模块的电压AD采样，获取电池电量信息并在飞翔操控板上显现
2.2 功用规范
(1) 水平原地接连旋转
悬停在空中1米左右，偏航测验，四轴就开端原地接连旋转起来。这个飞翔首要用于测验飞控姿势猜测算法的才能。好的飞翔操控算法应该是尽量坚持飞翔器机身水平，不会漂移太多。
(2) 单边挂重物试验
悬停在空中，瞬间给飞翔器四轴中一个轴臂上挂一个重物，对这样冲击力，调查飞翔器能不能快速做出反响，时刻越短越好
(3) 加快上升或许下降
在飞翔器处于悬停状况，加快上升或许加快下降，调查机身是否剧烈颤动，颤动小或不颤动抗风才能强
三、方案规划
3.1 体系功用完成原理
四轴飞翔器飞翔原理:
当四个旋翼的转速持平且发生的升力之和等于飞翔器本身的重力时，飞翔器处于悬停状况；在悬停的根底上，飞翔器的恣意一组旋翼转速等量的添加或削减，而另一组飞翔速度不变，将发生偏航的作用；一起等量添加或削减飞翔器4个旋翼速度时，将使飞翔器上升或下降；当其间飞翔器的其间一个旋翼速度添加或削减，处于对角线上的旋翼速度减小或添加，飞翔器将会向一个方向歪斜，发生俯仰运动或滚俯运动。如图1所示。
图1
四轴飞翔器的飞翔操控体系包含主操控模块，各个传感器模块，飞翔操控板，通讯模块，电机调速模块，电池模块。主操控模块与传感器模块组成一个模块，运用的是意法半导体公司的iNEMO模块惯性丈量模块，该模块之间经过选用I2C通讯形式进行数据传输，并将操控信号发送给电调；飞翔操控板与主操控器选用无线串口进行数据收发和指令操控；电源模块为各个传感器和操控芯片供给电源，并为电谐和电机供给动力。四轴飞翔器的体系总体规划框图如图2所示。
图2
3.2 硬件资源装备
主操控器
体系主操控器选意图法半导体公司32位微处理器STM30f103系列为主操控器，它是专门为操控体系，工业操控体系和无线网络等对功耗和本钱灵敏的嵌入式运用领域而规划的。STM32系列32位闪存微操控器根据为嵌入式运用开发的具有突破性的ARM Cortex –TM内核，高速指令处理才能，支撑浮点数运算，有强壮的数据处理才能；具有USB，USART，SPI，I2C等多个外设接口，12位精度的ADC，收集更准确的数据，减小数据差错；STM32开发完好的固件库，完善的开发工具为用户大大缩短开发周期，节省开发本钱；
惯性参阅单元
STEVAL-MKI062V2开发套件，这款iNEMO模块集成了5个意法半导体传感器：双轴滚转-俯仰陀螺仪(LPR430AL)，单轴偏航陀螺仪(LY330ALH)，6轴地磁丈量模块(LSM303DLH)，压力传感器(LPS001DL)和温度传感器(STLM75)。
无线射频模块
用于收发数据指令选用CC1101无线通信模块，串口通讯方法，低功耗作业，传输间隔可到达200m，供给3种用户可选波特率，可传输字节为30的数据帧，且有大数据的缓冲区。
电源模块
电源模块为主操控器，各个传感器和电机供电，锂电池供电，由ASM1117转换为5V为惯性丈量模块和电调供电。
显现部分
显现部分为无线发送回来数据进行处理显现和对发送操控指令的显现，具有辅佐调节作用，该部分选用2.4寸TFT显现。
图3
3.3体系软件架构
姿势检测算法
将陀螺仪和加快度计的初始丈量值减去常值差错，取得角速度和加快度，并对加快度进行积分。然后对角加快度积分和加快度积分数值交融处理。交融意图包含两个方面：一个对角速度的飘移进行预算，加入到视点值里边。另一个对陀螺仪的常值数值进行批改。
操控算法
算法的中心是对角速度做PI核算，P的作用是使四轴飞翔器可以发生关于外界搅扰的反抗力矩，I的作用是让四轴飞翔器发生一个与视点成正比的反抗力。对角速度做I预算实践得到的是视点值，假如四轴有一个歪斜视点，那么四轴飞翔器就会自己进行调整，直到倾角为零。它所发生的反抗力与视点成正比，可是假如只要I的话，四轴飞翔器会立刻进行震动，PI有必要结合起来运用。
操控体系结构图
3.4 体系软件流程
四轴飞翔器姿势操控程序运转流程图如图5所示，体系上电今后进行体系初始化，包含时钟装备，端口初始化，液晶界面初始化。由操控器宣布操控指令，假如四轴飞翔器上姿势调整板能承受并发生应对信号，则进行传感器校准，体系电量检测，电量足够则等候无线指令，当接收到无线指令后，由姿势操控板就行姿势检测，数据收集进行算法处理，并经过I%&&&&&%把操控指令传递给电调进行电机转速操控，以进行飞翔操控。在整个过程中选用ADC收集电源模块输出电压，以进行电量检测，假如电量缺乏，则飞翔器落停或许不起飞。
程序运转流程图
