山西中北大学机电工程学院　郭鲁奇　顾强　赵意鹏

四旋翼无人机飞行控制系统设计

山西中北大学机电工程学院郭鲁奇顾强赵意鹏

本文设计了以STM32F103C8为主控芯片的控制系统，该系统通过MPU6050整合性六轴运动处理组件采集数据并进行滤波处理，再利用四元数姿态解算算法得到姿态角，使用HC-SR04超声波来测量飞行器高度，通过PID控制实现飞行器姿态和高度的控制。测试结果表明，该系统能使飞行器完成起飞、悬停、降落一系列动作，且稳定可靠。

飞行控制系统；MPU6050；HC-SR04；四元数姿态解算；PID控制

引言

四旋翼无人机是一种依靠4个呈十字形或X形分布的电动螺旋桨提供动力的飞行器，特别适合在近地面环境中执行监视、侦察等任务，具有广阔的军事和民用前景。因此，设计一套可靠性高的飞行控制系统就显得尤为重要。

1　控制系统组成及工作原理

本系统主要由电源电路、主控芯片STM32F103C8、无线射频模块nRF2401、超声波测距模块HC-SR04、运动处理组件MPU-6050及电机等部分组成，其结构示意图如图1所示。

图1　控制系统结构示意图

本系统以STM32F103C8为主控芯片，通过无线射频模块nRF2401向主控芯片发送起飞、悬停及降落等命令，当其收到命令后，主控芯片通过提取HC-SR04和MPU-6050的信号，利用四元数姿态解算法得出飞行器当前的状态，再通过PID算法，利用PWM调节电机的转速，直到达到所要求的状态［1］。

2　控制系统硬件设计

2.1主控芯片STM32F103C8

STM32F103C8是基于32位ARM Cotex-M3内核，最高主频率72MHZ，具有高达90DMips、1.25DMips/MHz的处理能力，Cotex-M3内核采用哈佛结构及流水线技术，很大限度上提高了控制器的运算能力，能够满足该控制系统复杂而快速的计算要求，同时该芯片功耗小、性价比高，能够满足本系统的设计要求。……