基于stm32的四軸飛行器的設(shè)計(jì)

付秀偉 付 莉

（吉林化工學(xué)院自動化系，吉林 132022）

四軸飛行器［1-2］的發(fā)展推動了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)、科技、安全、國防等領(lǐng)域，方便了人們控制，提高了經(jīng)濟(jì)效益，也推動了我國國防事業(yè)的發(fā)展，是一件利國利民的事情。本設(shè)計(jì)中主要對其硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要考慮到電源的影響，將電源分為不同的部分，分別對模塊進(jìn)行控制，提高了抗干擾能力，利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)方面主要采用現(xiàn)在性價(jià)比較高的stm32作為主控制器，高性能的MPU6050陀螺儀和無刷直流電機(jī)作為主要部分。stm32通過讀取陀螺儀MPU6050的姿態(tài)，來確定飛行器所處的狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步控制飛行器的運(yùn)行軌跡。四軸飛行器硬件部分主要包括電源部分，驅(qū)動部分，顯示部分和控制器部分，和陀螺儀等構(gòu)成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

圖1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于四軸飛行器飛行過程中不可能有直流電源給其供電，因此選用鋰電池來供電，而鋰電池的電壓比較低，電流隨著運(yùn)行時(shí)間長短變化比較大，采用鋰電池給電機(jī)直接供電不利于四軸飛行器的飛行，因此采用升壓芯片將其升壓到固定值。本設(shè)計(jì)采用LTC3200升壓模塊來實(shí)現(xiàn)。

2.1.1 LTC3200升壓模塊

LTC3200升壓模塊［3］是低噪聲，恒定頻率開關(guān)電容電壓倍增器，產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓從2.7V到5.0V。升壓模塊在這里的作用是將電源鎖供給的3.7V電壓升大到5V。其原理圖如圖2所示。

圖2 LTC3200升壓模塊原理圖

圖3 第一個(gè)穩(wěn)壓模塊原理圖

2.1.2 XC6206穩(wěn)壓模塊

系統(tǒng)升壓到5V后只能對電機(jī)進(jìn)行供電，而控制stm32所用的供電電壓為3.3V，因此需要將5V轉(zhuǎn)化成3.3V。本設(shè)計(jì)參與XC6206系列，它采用CMOS工藝，內(nèi)部由基準(zhǔn)電壓源、誤差發(fā)達(dá)器、驅(qū)動晶體管、限流電路等構(gòu)成。通過采用CMOS工藝和激光微調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低消耗電流和高精度。

該設(shè)計(jì)一共有兩個(gè)穩(wěn)壓塊。第一部分穩(wěn)壓塊將經(jīng)過升壓塊輸出的5V電壓穩(wěn)定在3.3V，然后接到STM32單片機(jī)的VCC端口，另一個(gè)穩(wěn)壓模塊直接為MPU6050陀螺儀進(jìn)行供電，兩個(gè)穩(wěn)壓器都采用同一個(gè)芯片。原理圖如圖3所示。

2.2 STM32F103型單片機(jī)

STM32系列單片機(jī)是專門對要求高、成本低的嵌入式應(yīng)運(yùn)而生的。高達(dá)72MHz的頻率提高了很多應(yīng)用場合，處理速度得到了大大的提高，特別是對四軸飛行器來說可以完美實(shí)現(xiàn)其功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

四軸飛行器不僅僅得力于其硬件設(shè)計(jì)的先進(jìn)性，軟件方面設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，特別是系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程［4］，設(shè)計(jì)一個(gè)合理、優(yōu)化的控制軟件至關(guān)重要。該系統(tǒng)包括主控芯片初始化，各個(gè)外圍設(shè)備的驅(qū)動，通過傳感器采樣來獲取飛行器的姿態(tài)，通過PID控制算法，使得四軸飛行器穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為主程序設(shè)計(jì)與中斷程序設(shè)計(jì)?？紤]到對傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，時(shí)間的長短影響到采集的效果，經(jīng)過測試得知10ms的控制周期，每10ms進(jìn)行一次傳感器采用，得到的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，有助于數(shù)據(jù)的采集。

主程序完成系統(tǒng)初始化，包括各設(shè)備初始化等工作，以及接收串口指令進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，其他工作流程如圖4所示。

本設(shè)計(jì)主要采用中斷來實(shí)現(xiàn)控制的，主要有定時(shí)器中斷，串口中斷，SPI中斷與遙控接收機(jī)輸入捕捉中斷。其中串口中斷，與SPI中斷用于數(shù)據(jù)通信，通過中斷函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)送入各自數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等待處理。定時(shí)器中斷使用芯片的定時(shí)器完成10ms中斷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制節(jié)拍。在定時(shí)器中斷函數(shù)中完成傳感器的采樣，姿態(tài)數(shù)據(jù)融合，控制器運(yùn)算與控制輸出，數(shù)據(jù)通信等功能，其工作流程圖如圖5所示。

圖4 主程序流程圖

圖5 定時(shí)器中斷函數(shù)流程圖

4 結(jié)論

該設(shè)計(jì)有利于四軸飛行器的穩(wěn)定運(yùn)行，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了很好的發(fā)展，減少了電源對整個(gè)系統(tǒng)的影響，也通過加入多個(gè)電源部分，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，各個(gè)模塊間的影響程度得到了很大的提高。

［1］楊明志，王敏.四旋翼微型飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2008，6（4）:485-490.

［2］周權(quán)，黃向華.四旋翼微型飛行平臺姿態(tài)穩(wěn)定控制試驗(yàn)研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（5）:72-79.

［3］吳劍.碟形無人直升機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2004.

［4］劉煥曄.小型四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［D］.上海:上海交通大學(xué)，2011.