摘 要：该设计是面向环境检测方向，基于STM32F407ZGTE的带航拍多功能飞行器，飞行器为整个检测系统及航拍系统的载体。硬件方面采用电源系统、飞控系统、报警系统、显示系统、电机电调系统、通信系统、检测系统等组成。算法上采用半姿態读取及配合卡尔曼滤波作为飞行器的姿态解算的算法，控制器采用稳定的串级PID。具有灵活性、可维护性强、功能延伸性强等特点。
　　关键词：多轴飞行器，STM32F407ZGTE，飞行控制系统，半姿态
　　引言：
　　多功能飞行器为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展带动了世界的整体前进，国家加强了经济的投入，加强了各国飞行器之间的交流与比拼，也就加强了本国的经济的发展。电子技术的迅速发展，给生活、工业、农业带来了很多便利性，对于飞行器的功能开发携带等思想还是有很大一块空白。在四轴飞行器的本身相对于其他飞行模型来说有很大的灵活性、可造性。不仅机械设计简单，而且对机身的重心等要求都不高，甚至称的上可以随意。
　　生活、工业应用方面，四轴飞行器能完成较危险环境复杂的区域，从而代替人为去完成一些高难度的作业。为人们带来了很大的便利。改设计在航拍，救援，探险，探测等方面都有很强的应用性。
　　1.目前人工作业方面存在的问题
　　随着社会的发展，人类需要获得的信息、需要完成的任务变得复杂化，人类迈向的地区也就更加多种，危险变得不可预料，对于很多偏僻的地区有很多高难度、多危险的地区如果一如既往采用人工作业的话就会使得安全性非常没有保障，而且人工作业获取的精准度差。对于一系列的人为作业产生的问题我们采用的多功能ARM飞行器能很好的对此进行解决，并准确地完成任务。
　　2.系统设计方案：
　　由于该项目我们主要应用于环境等场地方面的检测，我们的飞行器保证它的稳定性就够了，不需要太大的灵活性，对于除飞行器以外的外围模块我们添加了数传模块对视频信息进行实时的上位机监控，这样才能第一时间发现异常。无线通信模块进行数据的回放发现数据的读取有没有异常。剩下的就是系统的附加功能模块进行完善，如外传传感器模块、烟雾传感器模块、空气检测模块、有毒气体检测模块等等。
　　3.系统功能：
　　（1）半姿态解算的简单稳定机身：由于全姿态或者四元素的姿态解算算法虽然能带来很大的成效性，但是在该项目中半姿态已经够该设计使用了，所以抛弃了解算繁琐的其他算法。让CPU在别的方面有更多的可操作空间。
　　（2）实时进行数据及图像传回处理：安全是所有产业最在乎的问题，在改四轴飞行器上我们实时监控飞行器的姿态数据、图像数据一发现有异常即产生危险信号提醒我们返航。
　　（3）附带很多检测模块及预留接口：该项目的设计主为代替人在复杂的作业环境中作业，我们对这些模块进行高难度的设计以用于更多的场合之中。
　　4.电源模块：
　　对于四轴飞行器的电池选择我们必然选择轻而且电量打的锂电池，越轻对于四轴的电机的负载也就越小。续航能力会加强很多。我们的系统核心用的是STM32F4它的工作电压在3.3V，惯性导航的数据传出模块的工作电压也是3.3V，其他传感器或者检测模块大部分还为5V工作电压，所以我们必须对12.6V的锂电池进行稳压。在比较选择了各种稳压模块过后我们决定选择先用LM2940对12.6V的电压进行稳压到5V，然后再用LM1117进行稳压到3，3V由于很多模块需要单独供电所以我们选择了多个模块进行稳压出电压。
　　5.PID控制方面：
　　对于一个变动的对象我们即要利用微处理器内部快速对它进行控制，在开始的控制方面，我们模拟采用过模糊控制于姿态的控制法中建立数学模型对其相应进行观察，发现其变动相应效果甚差，难以在动作方面满足在高难度的区域进行各种作业检测。后来我们测试采用简单的单级PID进行测试，建立模型测试的时候发现效果达到了预期的目标，但是在实际操作过程中，我们发现飞行器的稳定性非常好，但是在对机体进行控制移动飞行的时候，发现机体似乎不是很快速地进行响应。对于需要快速响应的场地，该种控制方式的飞行器满足不了其需求。后面我们采用了对机体进行串级PID的控制方式，利用调节内环（角速度环）对机体的稳定性进行控制，外环（角度环）对机体的灵活性进行控制，相继把两个环进行串级配合控制的时候即得到了该四轴飞行器的稳定并灵活的控制方法，所得到的状态满足我们的监控系统。
　　参考文献
　　[1] 黄家英.自动控制原理[S]，高等教育出版社2010，5
　　[2] 吴铁军.应用捷联惯导系统分析[M].国防工业出版社，2011，06.
　　[3] 王新龙. 捷联式惯导系统动[M].西北工业大学出版社，2013，9.