參賽-基于STM32F4的四軸航拍飛行器（開源分享）

四軸航拍飛行器功能概述：

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(tǒng)。硬件上由飛控電路，電源管理，通信模塊，動力系統(tǒng)，機架，云臺伺服系統(tǒng)組成。算法上采用簡潔穩(wěn)定的四元數(shù)加互補濾波作為姿態(tài)解算算法，PID作為控制器，實現(xiàn)飛行，云臺增穩(wěn)等功能。具有靈活輕盈，延展性，適應性強好等特點。

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四軸航拍系統(tǒng)設計框圖：

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航拍飛行器視頻演示：

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系統(tǒng)硬件設計組成：

本設計采用?STM32F407 作為核心處理器，該處理器內(nèi)核架構(gòu)ARMCortex-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(diào)之間用PWM傳遞控制信號。

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四軸飛行器硬件清單：

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注：芯片的數(shù)據(jù)手冊等信息可以在集成電路查詢網(wǎng)站搜索 https://www.datasheet5.com/

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系統(tǒng)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(tài)角，以姿態(tài)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(wěn)定補償。

軟件流程圖：

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控制設計心得：

• 由于四軸飛行器獨特的機械結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上的對稱設計，使得四軸在俯仰角的控制欲橫滾角的控制上有這近乎相同的控制特性，且兩者相對獨立。四軸飛行器的俯仰，橫滾，偏航，升降可以通過四個輸入量來控制。通過設定一個期望角度，調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，使得測得的姿態(tài)角穩(wěn)定在期望角?？刂坡傻脑O計主要采用是閉環(huán)控制。以姿態(tài)角做為被控制量，采用經(jīng)典的PID控制算法。
• 四軸飛行器系統(tǒng)是一個時變且非線性的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)PID算法的單一的反饋控制會使系統(tǒng)存在不同程度的超調(diào)和振蕩現(xiàn)象，無法得到理想的控制效果。本文將前饋控制引入到了四軸飛行器系統(tǒng)的控制中，有效地改善了系統(tǒng)的實時性，提高了系統(tǒng)的反應速度；并且根據(jù)四軸飛行器系統(tǒng)的特點，對數(shù)字PID算法進行了改進，引入了微分先行環(huán)節(jié)，改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性；使得控制器能夠更好地適應四軸飛行器系統(tǒng)的實際情況。

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飛行器實物展示：

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飛行器試飛心得：

飛行試驗是對控制系統(tǒng)的功能和技術指標進行驗證的最終手段，也是衡量四軸設計是否成功的重要標志。試飛前要確保系統(tǒng)各部分工作正常，穩(wěn)定。檢查各個接口連接是否正確，各部件安裝是否牢固，電池電量是否充足。打開電源前檢查遙控器油門是否在最低位置，起飛前先輕推油門確保電機工作正常。一切準備就緒，即可進行試飛。將四種飛行器放在水平地面上，開始啟動姿態(tài)初始化程序，聽到電調(diào)提示音后，緩慢增加油門，螺旋槳轉(zhuǎn)速上升，將飛機拉離地面。由實際情況可看出當姿態(tài)發(fā)生傾斜時，姿態(tài)解算及PID控制能夠及時調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定飛行姿態(tài)。

飛行器還能根據(jù)遙控指令的變化完成相應的動作。本此設計的四軸飛行器可實現(xiàn)垂直升降的要求，能保持姿態(tài)的穩(wěn)定，機體晃動小，在微風的干擾下能夠自動調(diào)整姿態(tài)，確保平穩(wěn)飛行，且系統(tǒng)響應快，續(xù)航時間大概在8分鐘。因此本次的設計是有效的。

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附件內(nèi)容包括：

• 四軸飛行器控制板原理圖和PCB，用AD軟件打開；
• 包含所有源代碼；
• 四軸飛行器論文講解（包括系統(tǒng)軟件和硬件設計，控制設計以及PID參數(shù)調(diào)節(jié)等）；