1、 毕业设计（论文） 题 目： 基于 ARM CORTEX 处理器的四旋 翼机姿态控制系统设计 学 生： 指导老师： 陈 兴 武 老 师 院 系： 信息科学与工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 2014 年 6 月 1 绪论 . 1 1.1 研究的背景和意义 . 1 1.2 研究现状与发展 . 2 1.3 研究内容 . 3 2 姿态控制系统的总体方案设计 . 3 2.1 姿态控制系统的架构与方案比较 . 3 2.1.1 MCU 的功能分析 . 3 2.1.2 姿态信息采集传感器的选型 . 4 2.1.3 姿态控制方案的选择 . 4 2.2 姿态控制系统的总体设计 . 7
2、3 硬件系统的设计 . 8 3.1 硬件的构建 . 8 3.2 基于 STM32 的飞控主板的电路设计 . 9 3.2.1 电源模块的设计 . 9 3.2.2 FLASH 模块的设计 . 10 3.2.3 接收机输入 PWM 的设计 10 3.2.4 控制电机 PWM 输出信号的设计 10 3.2.5 JTAG 编程接口的设计. 11 3.2.6 USB 接口的设计 11 3.2.7 MPU6000 电路的设计 . 12 3.2.8 电池电量检测电路的设计 . 12 3.2.9 指示灯的设计 . 13 3.3 主控电路 PCB 板的设计 13 4 基于 STM32 的 uC/OS-II 系统设
3、计 13 4.1 系统软件编译环境的介绍与配置 . 13 4.2 uC/OS-II 系统的移植 . 15 4.3 STM32 整体配置 15 4.3.1 输入/输出管脚的配置 16 4.3.2 串口的配置 . 16 4.3.3 定时器输出 PWM 的配置 17 4.3.4 SPI 接口驱动程序设计 18 4.4 uC/OS-II 系统的任务划分 . 19 5 四旋翼机的姿态控制程序设计 . 19 5.1 姿态采集和解算的程序设计 . 19 5.1.1 姿态信息的采集程序设计 . 19 5.1.2 姿态信息的解算程序设计 . 23 5.2 姿态控制的程序设计 . 23 5.2.1 姿态控制的流程
4、 . 23 5.3 姿态的 PID 控制程序设计. 24 5.3.1 姿态比例控制程序设计 . 25 5.3.2 姿态积分控制程序设计 . 25 5.3.3 姿态微分控制程序设计 . 25 5.3.4 姿态的控制机制 . 26 6 系统调试 . 26 6.1 系统的硬件调试 . 26 6.2 软件调试 . 28 6.3 总体测试结果 . 30 7 设计总结 . 35 致谢 36 参考文献 37 附录 1 bsp.c 和 bsp.h添加的程序清单 38 附录 2 SPI 的写指令程序清单 38 附录 3 SPI 的读指令程序清单 . 39 附录 4 姿态控制的 PID 程序清单. 39 附录 5
5、 飞控板的原理图 . 41 附录 6 飞控板的 PCB. 42 附录 7 飞控板的实物图 . 42 附录 8 组装好的四翼飞行器实物图 . 43 基于 ARM CORTEX 处理器的四旋翼机的姿态控制系统设计 摘 要 本文采用一种基于 ARM CORTEX 处理器的 uC/OS-II 实时操作的四旋翼机姿态控制系统， 分析了 飞控系统的要求和性能指标，设计了四旋翼机姿态控制系统的硬件结构的整体框架，包括电源模块、 flash 模块、输入和输出 PWM、JTAG 和 USB模块、姿态采集模块、电池电量的检测设计等；软件的 总体设计，包括系统的移植，姿态信息的采集，四元数的转换，软件的流程等；对
6、uC/OS-II 进行任务 划分与优先级的规划，将系统分成了以下任务：姿态解算和控制任务、数据采集(A/D)任务、遥控任 务、LED 指示任务、电压检测和警报任务等。对 ARM CORTEX 处理器的四旋翼机的姿态控制系统做 出了详细的论证。 最后对硬件和软件的在上位机上进行仿真与调试的结果进行分析， 并进行了飞行器的实际飞行控 制，印证了本设计的姿态控制系统的可行性。 关键词: 四旋翼机、uC/OS-II、姿态控制、ARM ABSTRACT This paper presents uC/OS-II real-time operating system based on ARM CORTEX processor for four rotorcraft attitude control system, analyzed the requirements and performance indicators of the flight control
