论文总字数：19189字

摘 要

随着当今社会日益信息化和智能化，人们对于如何轻量化、便携化获取信息的需求日益增加，四旋翼飞行器来可以更为直观有效地观察周围、获取信息已经在货物运输、情报侦察、抗震救灾等多方面投入使用，并取得较为良好的效果。

本课题基于上述背景，设计了基于STM32单片机的四旋翼飞行器。本课题将通过PCB电路板的绘制和焊接完成硬件电路部分，通过PID控制算法和互补滤波等算法实现飞行姿态的控制和稳定飞行的最终效果。本文以章节为单位，详细介绍了该课题的研究流程，概述了Altium Designer的基本使用方法，详细介绍了所使用的互补滤波和PID控制算法的原理。包括PCB板的绘制、互补滤波、PID控制算法的相关原理和实现方法，并详细记录了算法的设计与优化过程。

关键词：四旋翼飞行器；飞行姿态检测；四元数算法；PID控制算法

Design of Four-rotor Aircraft Based on Single Chip Microcomputer

Abstract

With the increasing informationization and intelligence of today's society, people are increasingly demanding how to obtain information in a lightweight and portable manner. The four-rotor aircraft can more closely and effectively observe the surrounding, and the information is already in the transportation of goods, intelligence reconnaissance, and earthquake resistance. Disaster relief and other aspects have been put into use, and achieved relatively good results.

Based on the above background, this subject designs a quadrotor based on STM32 microcontroller. This topic will complete the hardware circuit part through the drawing and soldering of PCB circuit board, and realize the control of flight attitude and the final effect of stable flight through PID control algorithm and complementary filtering algorithm. This article introduces the research process of the subject in detail, outlines the basic usage of Altium Designer, and details the principles of complementary filtering and PID control algorithms used. It includes the drawing principle of PCB board, complementary filtering, related principles and implementation methods of PID control algorithm, and records the design and optimization process of the algorithm in detail.

Keywords: Four-rotor Aircraft, Flight Attitude Detection, Quaternion Algorithm, PID Algorithm

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引 言 1

1.1 课题背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本课题的研究思路 1

1.4 本论文的结构安排 2

第二章 方案的选取与论证 3

2.1 备选方案概述 3

2.2 方案一简介 3

2.3 方案二简介 3

2.4 方案总述 4

第三章 四旋翼飞行器运动原理和建模 5

3.1 四旋翼飞行器的运动原理 5

3.1.1 相关原理简述 5

3.1.2 运动状态简述 5

3.2 空间姿态角及坐标变换 6

3.2.1 空间姿态角描述 6

3.2.2 坐标变换 7

3.3 飞行器数学模型建立 8

3.3.1 飞行器合外力力矩分析 9

3.3.2 动力学方程 9

3.4 本章小结 10

第四章 四旋翼飞行器控制系统硬件的设计 11

4.1 硬件系统总体方案设计 11

4.2 硬件型号的选择 11

4.2.1 主控制器的选择 11

4.2.2 姿态传感器的选择 12

4.2.3 无线收发模块的选择 12

4.3 硬件电路的设计 13

4.3.1飞行器机身电路的设计 13

4.3.2 飞行控制器电路的设计 14

4.4硬件电路调试分析 15

4.5 本章小结 16

第五章 四旋翼飞行器控制系统软件的设计 17

5.1 软件系统总体方案设计 17

5.2滤波算法 17

5.3 姿态解算算法 18

5.4 四旋翼姿态控制器设计 19

5.4.1 PID控制算法的基本原理 19

5.4.2 改良版模糊PID控制算法 20

5.5 软件部分调试分析 21

5.5.1 滤波算法的调试及分析 21

5.5.2 姿态解算算法的调试及分析 21

5.5.3 模糊PID控制算法的调试及分析 23

第六章 总结 24

6.1本文的总结 24

6.2课题的展望 24

致 谢 25

参考文献（References） 26

第一章 引 言

1.1 课题背景

当今世界，科技爆发式的进步，已经完全进入一个全新的信息时代。人们对于如何轻量化、便携化获取信息的需求日益增加，通过四旋翼飞行器来更为直观有效地观察周围、获取信息已经在货物运输、监控安保、抗震救灾等多方面投入使用，并取得较为良好的效果。四旋翼飞机由于起飞和着陆的空间需求较小，在有障碍物的密集环境下的高操纵能力，以及保持飞机姿态的能力，在民用和军用领域都有广泛的应用^[1]。

由于四旋翼飞机具有垂直升力、承载飞行、控制方便等特点，引起社会各个层次日益广泛的应用^[2]。由于姿态的改变将引起姿态的变化，故控制部分主要包括姿态的控制和位置的控制两个方面。通常情况下人们使用经典的PID算法来控制飞行姿态，进一步控制飞行的位置，从而达到稳定飞行的目标。

1.2 国内外研究现状

四旋翼飞机最早出现在20世纪80年代，但由于当时社会生产力不足以及科学技术水平较低，还没有开发出相应的产品。因为当时电子元器件和相关制造技术的限制，绝大多数的飞行器产品仍处于实验测试阶段，并没有真正投入生产应用。

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