基于单片机的四旋翼飞行器的设计与实现

摘　要：四旋翼飞行器可以垂直升降，应用于军事和民用领域，在飞行器的设计中，结合单片机进行设计，可以提升整体性能。基于此，本文探究基于单片机的四旋翼飞行器设计与实现，探索飞行器的硬件设计和软件设计方案，并且对系统的角速度算法以及姿态控制算法进行测试，最后对系统的基础功能以及高级融合功能展开测试。经过测试发现，基于单片机的四旋翼飞行器设计具有可行性以及可靠性。希望通过本文的分析，可以为四旋翼飞行器的改进设计提供可行性借鉴。
关键词：单片机；四旋翼飞行器；设计

0 前言

在信息化技术的高速发展环境下，四旋翼飞行器已经逐渐应用于军用和民用领域，包括农业、国防军工以及现代救援等多个领域。并且四旋翼飞行器具有结构简单成本低的特征，在生活中的应用具有重要的价值。另外，在四旋翼飞行器的设计中，结合单片机展开进一步设计，有利于提升系统的性能。基于此，本文主要探究基于单片机的四旋翼飞行器的设计与实现。

1 原理功能及总体设计

1.1 系统原理和功能

四旋翼飞行器的结构相对较为简单，并且符合力学的特征。在设计中，通过不同螺旋桨叶的反向旋转，实现垂直升降和悬停。电机输出功率超过重力时，则呈现上升趋势；输出升力存在偏差时，则呈现飞行姿态。在基于单片机设计的基础上，飞行器具有数据采集、遥控以及自动平衡飞行等功能。

1.2 系统总体设计

系统总体设计中，包括硬件系统以及软件系统两个部分。硬件系统包括最小系统单元、电源模块、传感器模块、电机模块和遥控模块；软件系统包括驱动程序无线遥控程序以及电机程序等。系统主要模块设计如图1所示。

系统流程设计方面，通过姿态角度、滤波器以及融合计算倾角，确定是否存在偏差，如果不存在偏差，则返回重新计算，反之则进入PID 控制和矢量电机控制阶段。

2 基于单片机的四旋翼飞行器的硬件具体设计

2.1 单片机的选择

单片机的设计中，选择型号为STM32F103 的单片机，是ST 公司生产的单片机芯片，ARM 为32 位的处理芯片，系统带有FLASH 为512K，具有11 个定时器和13个通信接口。在本次设计中，定时器功能主要包括SPI、GPIO 和IIC 三个模块&