题 目： 基于 STM32F4 的四轴飞行器控制系统
关键词： STM32F4 Discovery 四轴飞行器 航姿参考系统 数据融合
PID 算法
摘要
四轴飞行器作为低空低成本的遥感平台，在各个领域应用广泛。与其他类
型的飞行器相比，四轴飞行器硬件结构简单紧凑，但是软件算法复杂，从数据融
合到姿态解算，以及最后稳定和快速的控制算法，都无疑使得四轴飞行器更加有
魅力。为了实现对四轴的控制，本作品使用了 ST 公司推出的 STM32 作为处理
器，STM32F4 Discovery 开发板作为遥控器接收板，MPU6050 作为姿态传感
器，软塑料机架，空心杯电机，两对正反桨，锂电池，以及四轴遥控器。最后，
经过相关调试工作，设计出能够遥控稳定飞行、具有一定的快速性和鲁棒性的小
型四轴飞行器。
1. 引言
随着微电子机械系统(MEMS)的蓬勃兴起，配合高速的低功耗处理器，使得
开发和研制四轴飞行器有了重大突破；特别是四轴飞行器潜在的应用前景和使用
价值，都激发了人们研究它的热情。今天，四轴飞行器已经应用到各个领域，如
军事打击，公安追捕，灾害搜救，农林业调查，输电线巡查，广告航拍，航模玩
具等。目前广泛应用的飞行器还有：固定翼飞行器和单轴的直升机。与固定翼飞
行器相比，四轴飞行器机动性好，动作灵活，可以垂直起飞降落和悬停，缺点是
续航时间短的多，飞行速度不快；而与单轴直升机比，四轴飞行器的机械简单，
无需尾桨抵消反力矩，成本低。
本文主要就小型四轴飞行器，介绍一种四轴飞行器的实现方案，可以通过遥
控实现四轴飞行器平稳起飞和平稳降落，控制前进后退，左侧翻右侧翻，左旋转
右旋转以及悬停这一系列基本动作。
四轴飞行器系统涉及空气动力学，飞行器建模分析，机械设计，MEMS 惯性
器件姿态检测，数据融合，导航和控制，电机驱动等领域的相关技术，是一门学
科交叉的技术。结合本系统实现对四轴飞行器的控制，主要解决飞行器建模分析，
MEMS 器件姿态检测，数据滤波和数据融合，姿态解算的 Matlab 仿真，四轴平
稳控制的问题，通过不断优化算法，使得四轴具有一定的抗干扰性和快速恢复平
稳的功能。
2. 系统方案
本作品设计的是小型四轴飞行器，采用一体化的设计思路，就是机身和处理
器板作为一个整体，小型四轴器的处理器使用 STM32F103 芯片，传感器使用
MPU6050，接收板使用 STM32F4 Discovery 开发板，使用 IIC 总线的方式与处理
器连接；遥控板上面使用 NRF24L01 无线芯片，通过上位机利用自己定义的协议
来完成小型四轴飞行器的姿态显示和控制；采用空心杯电机和两对正反桨，电池
使用 4.1V 的锂电池；整个系统的电源控制部分采用 662K 稳压芯片，这样可以
确保供电的稳定性，保证系统稳定可靠的运行。
STM32F103 处理器主要负责传感器数据的获取，原始数据滤波，数据融合，
四元数姿态解算算法，PID 闭环控制算法和 NRF24L01 遥控信号的解码
STM32F4 Discovery 开发板作为遥控器接收板，用来接收和发送数据和命令。系
统总体设计框图如图 1 所示：
STM32
处理器
MPU6050
IIC
电源
管理
锂电
池
电机1 电机2
电机3 电机4
无线
通信
图 1：系统框图
3. 系统硬件设计
(1)电源管理电路
系统由 4.2V 的锂电池供电，但是单片机和 MPU6050 是需要 3.3V 供电的，
另外电池电量也是在不断发生变化的，所以为了提供一个精确稳定的电源，使用
了稳压芯片 662K，框图如图 2 所示：
4.2V
锂电池
662K
稳压芯片
MCU和
传感器
图 2：电源电路框图
电源稳压芯片之所以不选择 LM1117-3.3,是因为电池电量在使用一段时间后
会降低，这样输入输出之间的压降差就会变得比较小，使用 LM1117-3.3 可能不
能够满足稳定输出的压降差，相比较而言，662K 需要的压降差更小一点，更能
够保证 3.3V 的稳定输出，因此本系统选用 662K 稳压芯片。
(2)传感器接口电路
本系统使用传感器 MPU6050，MP 采用 IIC 的连接方式和 MCU 通讯，获取
加速度信号和陀螺仪信号用于姿态解算，框图如图 3 所示：
MPU
6050
MCU
单元
IIC
图 3：传感器接口框图
之所以选用 MPU6050 作为姿态检测传感器，是因为它是一款全球首例整合 6
轴运动处理组件，这样就免除了组合陀螺仪与加速器的问题，减少了大量的包装
空间；其次可以选用 IIC 接口通讯，简单可靠；角速度感测范围可以方便的切换，
这样就可以准确追踪快速与慢速动作，并且可以程式控制加速度器感测范围；最
后，MPU6050 作为一款姿态检测单元，其用户群体也是很广泛的，资料也比较多，
更方便入手掌握。
(3)空心杯电机驱动电路
空心杯电机采用 NMOS 管来驱动，具体的驱动电路框图如图 4 所以：
PWM
输入
NMOS
管
续流二
极管
空心杯
电机
图 4：空心杯电机驱动框图
系统软件设计
(1)数据滤波
数据滤波的功能是滤去由于四轴飞行过程中震动产生的高频噪声，这样有利
于四轴获得准确的姿态信息，从而进行精确的控制。这本设计中，采用均值滤波
的方式，取窗长度为 20，经过测试，得到了很好的滤波效果。程序流程图如图 5
所示：
读取传感器数据
数据存入数组
均值滤波
图 5：数据滤波程序流程图
(2)互补滤波法实现姿态解算
计算姿态主要用到 3 个传感器：陀螺仪、加速度机和电子罗盘。加速度计测
量对象为比力，受运动加速度影响大，特别是受飞行器机架的振动的影响。电子
罗盘测量磁场强度，受环境影响也很大，特别是受电子调速器、电机等大电流器
件影响。而陀螺仪则受外部影响弱，稳定性好，但输出量为角速度，需要积分才
能得到姿态，无法避免误差的累积。为了得到稳定的。近实时的姿态，对各传感
器的数据补长取短，需要研究各种数据融合方法。
Mark Euston 提出了运算量比梯度下降法更小的互补滤波法。相比梯度下降
法用加速度和磁场强度计算姿态的梯度，互补滤波法是吧加速度和磁场强度的误
差构造成纠正旋转，叠加到陀螺测出的角增量上，实现高效的数据融合。
统一到同一坐标系后，规范化的加速度和磁场强度的测量值和常量值可以作
一个叉积，叉积的模为角度误差的正弦，小角度情况下认为正比于角度，方向根
据右手法则，可以作为纠正的旋转轴，乘上一个系数后，可以与陀螺算出的角增
量叠加。
首先算出两个叉积：
( )
1
A
E E
m
a A c
A
m
a
c R q a
a
-
= ´
v
v v
g
v
( )
1
A
E E
m
h A c
A
m
h
c R q h
h
-
= ´
v
v
v
g
v
然后，把叉积乘以一个系数，加到陀螺的角增量上，
g
和
l
分别为加速度和
磁场的纠正系数，一般取接近 0 的数：
a h
g t c c
j g l
= ×D + × + ×
v
v v v
然后构造旋转增量，更新姿态：
1
2 2 2
1 1 1 1
1
2 2 2 2
n
n
T
A
A n
r x y z x y z
j j j j j j
-
é ù
= - + +
ê ú
ë û
v v v v v v
1
1
n
n n n
A
E E
A A A n
q q r
-
-
= Ä
可以看出这个方法的复杂性较简单，运算量也小。互补滤波的流程如图 6 所示：
