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基于STM32的四旋翼自主飞行器控制系统设计与实现
作者：李艳涛 杨旭 肖银燕 鲁丹 宋好舒 来源：《电脑知识与技术》2016年第08期
摘要：针对现阶段四旋翼飞行器不能自主飞行的问题，提出了一种基于STM32的四旋翼自主飞行器控制系统，该系统通过单片机与MPU6050通信采集陀螺仪、加速度计数据，经卡尔曼滤波后由方向余弦矩阵解算出姿态，经PID调节器控制电机转速实现自主飞行功能。测试表明，该系统能够自主飞行且飞行高度在0～100m以内，起飞转速为50 r/s左右，最大巡航速度为11.2 m/s，续航能力为20 min。
关键词：四旋翼飞行器；STM32F103VCT6；MPU6050；卡尔曼滤波器；方向余弦矩阵；PID调节器
中图分类号：TP303 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）08-0212-03 1 背景
近年来，随着科技的发展，四旋翼飞行器在人们的生活当中扮演者越来越重的角色，可执行水灾、火灾、地震等灾情调查救援任务；化工厂等场所有毒气体浓度监测；重要设施连续监控；输油管线和输电线路的巡查；农田、林区农药喷洒；自然风景的取景拍照；当对特定地区进行日常环境监测，也可以使用这种飞行器，自动巡查完后自动返航并自动记录存储数据，大大减少人力成本。
在过去的几十年里，四旋翼飞行器相对固定翼飞行器发展却较为缓慢，这是因为四旋翼飞行器的控制较固定翼复杂，早期的技术水平无法实现飞行器的自主飞行控制。为了实现飞行器的自主飞行，文献[1]提出了一种双增益的PD控制算法对飞行器进行姿态控制； 将姿态估计算法和控制算法应用到飞行器中， 可以实现四旋翼的自主悬停等功能。但这种方法不能使飞行器自主的完成一些任务。文献[2]提出了一种新的消失点估计算法—VQME 算法，该算法的正确性、鲁棒性与实时性得到了验证，并且验证了其在工程应用中的可行性。同时针对四旋翼飞行器的欠驱动、多耦合等特性，提出了一种级联的多变量RBF神经网络PID自适应控制方法，运用该控制方法和以消失点为目标点的导航策略，但这种方法无法实现大范围飞行。文献[3]提出了一种基于磁传感器的自主导航系统，该系统硬件平台采MPU6000（集成了3轴陀螺仪和3轴加速度计）传感器实现姿态和速度解算，在此基础上设计了基于磁传感器的航向判断自主导航算法，通过实际飞行器的飞行方向与设定方向的偏差对飞行器的姿态角进行调节，但这种方法对于飞行途中的障碍物却无法规避。
基于STM32的四旋翼自主飞行器控制系统设计与实现
