使用ARDUINO的环境开发STM32,搞一个四轴飞行器！

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当前四轴飞行器的研究在国内蓬勃发展起来并形成厂I_业。己经有许多的公司(如Dj大疆公司)将四轴飞行器等多轴飞行器实现了商业化应用。目前主要研究点主要集中在:
(1)四轴飞行器乃至多轴飞行器的姿态控制。多轴飞行器的主要技术难点在于其飞行姿态控制系统。因为其旋翼多(一般为偶数个)，因此多轴飞行器的飞行姿态控制远比传统单轴直升机复杂。目前在此领域的研究主要是飞行姿态的数学建模、控制算法以及滤波理论。目前主要的有刚体旋转理论、四元数理论、非线性数字滤波、级联惯性导航、神经元PID算法等控制理论的综合研究和应用[[6]a(2)适用于多轴飞行器的新的传感器技术发展及新材料的应用国内外目前也致力于新传感器技术的发展和运用。出现了通用的整合一体的传感器模块，以及这些模块小型化微型化，精度也越来越高，使得多轴飞行器的体积大大缩小。新的材料如碳纤维也运用于机架，使得目前机体重量进一步降低，载重和续航能力进一步提高。(3)电机、电池领域技术的发展。近年来，电机技术不断发展。无刷电机和空心杯电机进一步普及应用于多旋翼飞行器上。大大提高了多旋翼飞行器的动力。锉电池甚至燃料电池的出现和应用使得续航能力大大提高hla1.2.2国外四轴飞行器的研究现状目前国外在四轴飞行器的研究也是主要集中在飞行控制系统的新的理论的研究，比如神经元网络控制算法、模糊控制算法等。国外还致力于四轴飞行器的脱离人遥控的自主飞行以及多机协同运作等方面的研究。

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(i)拥有简单的机械结构。没有传统直升机复杂的旋翼控制机构。
(2)稳定得多的飞行姿态。
四轴飞行器有四个旋翼，没有复杂的机械结构。同时飞行控制系统通过传
感器采集飞行姿态数据，实时监测和控制飞行姿态，可以实飞行器保持平稳飞行。
相比传统单旋翼直升飞机，四轴飞行器的飞行更为稳定。
(3)由于机械结构简单，容易将体积做得很小，可以实现自主飞行器的小型
化微型化。

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(1>在飞行过程中它不但受到本身软硬件、机体结构等等因素的影响，还容易受到气流等外部条件的干扰。比如其驱动四个旋翼的电机产生的震动和干扰，使得加速度计的数据变化剧烈，含有大量振动噪声;电机产生的磁场会干扰电子罗盘模块的测量数据。(2)四轴飞行器空间上具有6个自由度，有4个控制输入[[9]。其控制变量多、传感器多、数据量大、算法复杂、运算量大和干扰大的特性，使得飞行控制系统的软件比一般直升机复杂得多。(3)四轴飞行器的主要的姿态传感器陀螺仪传感器输出变化缓慢，但是时间长了有较大的累积误差，而且还有温度漂移。利用陀螺仪进行物体姿态检测需要考虑到累计误差的消除。加速度计比较敏感、变化速度快，使得加速度计在飞行过程中的采集到的数据带有大量的噪声(主要是由震动产生的)。因此在四轴飞行器的飞行姿态控制系统中，必须将陀螺仪和加速度计的数据通过数据滤波算法进行融合和滤除噪声干扰，以此来得到正确的姿态数据。

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m传感器主要有加速度计和陀螺仪。这二者得到的数据分别是加速度(归一化到重力加速度场)和角加速度。必须对这两个数据进行运算，但是采用直接计算出欧拉角的的方法运算量巨大，处理速度缓慢。计算出欧拉角。我们采用了四元数算法来实现将加速度和角加速度合成为欧拉角。我们就是要在MCU板上实现四元数算法和四元数到欧拉角的转换。<2)四元数法将这二者的数据进行四元数运算然后变换成欧拉角得到，然后是角度数据的滤波和融合，消除掉陀螺仪数据的累积误差。从而得到较为准确的飞行器姿态数据。我们主要是通过四元数算法加上卡尔曼滤波算法，三轴加速度计和三轴陀螺仪的数据进行滤波和融合，就能将二者数据合成为三个欧拉角的飞行姿态数据。<3)由得到姿态数据对比飞行器静止水平时的姿态值，得到偏差量。然后用偏差量控制四个电机通过PID控制方法来使飞行器达到平稳的飞行状态。

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旋翼飞行器的一个旋翼转动，会对机身产生一个反扭矩，如若一飞行器只有-个旋翼，旋翼在转动的同时，机身也会朝旋翼反方向旋转，这就足反扣咔巨作用的结果。四轴飞行器的四个旋翼y两两旋转方向相反，电机之间的反扭矩平衡抵消，机身不会产生自旋。四轴飞行器的可以分别沿着机体的x,y,z二毛个轴进行旋转或者一平移的运动，因此在每个轴向E=有两个自山度。四轴飞行器有六种基本飞行动作〔ionCI)升降运动—在图2-I中，升降运动实际上就是飞行器在Z轴方向的上下运动。我们假设四轴飞行器处于平稳状态，此时四个旋翼转速完全一样。此时同时使四个旋翼转速增加，可以让升力克服机体重量，使得机体垂直向上运动。反之，同时减小四个旋翼的转速，可使机体一垂I-'-下降。当四个旋翼的处于某一个转速时，升力和机体玉川}II等，此时吃行器处于平稳悬停的状态。

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四轴飞行器的关键在于其空问姿态的检测、控制和保持。要表征飞行器在空间中的姿态，必须建立一个空间的直角坐标系来为其姿态作出参照，这个坐标系称为地理坐标系。因为四轴活动范围比较小，因此可以将地面视作是水平的平面。在本课题中，我们采用“东北天”地理坐标系来作为参照系I川:Z轴的正方向指向天顶，负方向指向地理地面;X轴的正方向指向地理卜的正东，负方向指向地理土的正西;Y轴的正方向指向北面，负方向指向南IiiI。同时四轴飞行器本身作为刚体也存在着一个坐标系，称为机体坐标系(如下图所示)。四轴飞行器处于平衡状态卜，断示器本身的坐标系和地理坐标系亚合，机体坐标系的Z轴与地理坐标系的Z轴重合。四个电机及中心控制部分都分布在XY平而_}二。根据刚体的欧拉旋转定理，四轴飞行器的在空间里飞行姿态可用欧拉角来表示。欧拉角就是地理坐标系与机体坐标系的旋转关系。坐标系统如图2-7所示:

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飞行器的姿态，是指在飞行器的正方向的上，用三个姿态角即通常所说的欧拉角表示，包括偏航角(yaw).俯仰角(pitch)和滚转角(roll)，如图2-8。飞行姿态是一个旋转变换，表示机体坐标系与地理坐标系的旋转转换关系，我们定义飞行姿态为机体坐标系向地理坐标系的转换。旋转变换有多种表达和转换的方式，包括方向余弦、欧拉角、四元数法等。飞行器的姿态是旋转上的某种变换。由欧拉旋转定理可知，一种姿态经过相互串联的一系列旋转可以变为另一个姿态。如果我们用矩阵表示旋转，旋转的串联就由矩阵乘法来实现。

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