四旋翼飞行器控制系统设计.doc

摘要:四旋翼飞行器的结构主要由四台电机和螺旋桨组成，是一款能够垂直起降的多旋翼飞行器，其优点是飞行自由度高、飞行稳定、便于控制等，这使其在军事、民用等方面具有广阔的发展前景。

本文为实现操控者可通过遥控器对四旋翼飞行器进行飞行控制，设计了基于单片机STM32的四旋翼飞行器控制系统，并详细的阐述了系统的硬件与软件的设计方案。本系统以STM32F103C8T6作为核心处理器，采用空心杯电机、MPU6050姿态检测传感器、NRF24L01无线通信模块作为外设。姿态检测传感器用作四旋翼飞行器的平衡状态检测，可以对三轴（x轴，y轴和z轴）中的倾斜位置进行检测。同时，系统还配备一个遥控器，飞行器与遥控器通过NRF24L01无线通信模块进行通信，飞行器接收信号后，核心处理器通过结合控制参数、姿态数据解算和PID算法，实现对飞行器电机的控制，使四旋翼飞行器能够按要求进行平稳飞行。

关键词：四旋翼飞行器；STM32；MPU6050；NRF24L01；PID算法

目录

摘要

Abstract

1 绪论-1

1.1 研究背景-1

1.2 四旋翼飞行器的发展历史-1

1.3 四旋翼飞行器的结构与运动方式-2

1.3.1 四旋翼飞行器的结构-2

1.3.2 四旋翼飞行器的运动方式-1

1.4 本文研究内容-1

1.5 本章小结-2

2 系统硬件设计-3

2.1 系统总体方案-3

2.2 核心处理器（MCU）的选择-3

2.3 飞控模块设计-4

2.3.1 MPU6050姿态检测传感器-5

2.3.2 执行模块设计-7

2.4 遥控模块设计-8

2.5 无线通信模块-10

2.6 本章小结-10

3 系统软件设计-11

3.1 主程序流程图-11

3.2 中断配置-11

3.2.1配置中断优先级的原则-12

3.2.2中断线路配置相应的触发模式和触发时机-13

3.3 姿态角数据的获取-14

3.3.1 MPU6050与MCU模块的通信-14

3.3.2 软件实现姿态数据读取-18

3.4 无线通信配置-20

3.4.1 SPI配置-21

3.4.1 NRF24L01配置-22

3.5 PID算法控制-23

3.5.1 PID算法原理-23

3.5.2 串级PID系统-25

3.6 本章小结-26

4 系统调试-27

4.1软件开发工具-27

4.2调试过程-28

4.3 本章小结-29

总    结-30

参 考 文 献-31

附录A 硬件原理图-32

致    谢-34