基于STM32的四軸飛行器的研究與設(shè)計(jì)

金　薇

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

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基于STM32的四軸飛行器的研究與設(shè)計(jì)

金薇

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

摘要：四軸飛行器是一種新型無(wú)人飛行器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有著卓越的飛行穩(wěn)定性，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域及很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。本設(shè)計(jì)以STM32為主控核心，控制算法采用PID控制，硬件設(shè)計(jì)包括主控單元、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)線通訊模塊及電源模塊等。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器；STM32；PID控制

四軸飛行器屬于旋翼式無(wú)人飛行器的一種，擁有四個(gè)對(duì)稱十字交叉分布螺旋槳，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整兩對(duì)螺旋槳所產(chǎn)生的扭矩和升力大小可以控制飛行器的飛行姿態(tài)。四軸飛行器可以通過(guò)附加一些傳感器達(dá)到控制自主飛行，也可以通過(guò)無(wú)線遙控技術(shù)人為控制飛行。與傳統(tǒng)的單旋翼直升機(jī)相比，四軸飛行器更適合于航拍、線路巡檢，數(shù)據(jù)采集、近地飛行、通信增強(qiáng)等任務(wù)，在軍用與民用領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用前景。

1四軸飛行器的結(jié)構(gòu)與原理

四軸飛行器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由控制中心，螺旋槳和電機(jī)組成。

圖1　四軸飛行器結(jié)構(gòu)圖

在飛行中M1與M3順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，M2與M4逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即：相對(duì)的兩個(gè)電機(jī)同向旋轉(zhuǎn)，相鄰的兩個(gè)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)來(lái)控制四只螺旋槳的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)的變化[1]。

1) 高度控制。同時(shí)增加四只電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)螺旋槳產(chǎn)生的升力之和大于飛行器重力時(shí)，飛行器就會(huì)上升；相反，同時(shí)減小四只電機(jī)的轉(zhuǎn)速飛行器就會(huì)下降；當(dāng)螺旋槳產(chǎn)生的升力之和與飛行器重力相當(dāng)時(shí)，飛行器即可在空中懸停。

2) 俯仰與滾轉(zhuǎn)控制。俯仰動(dòng)作是以飛行器頭部與尾部為基準(zhǔn)定義，滾轉(zhuǎn)動(dòng)作是相對(duì)于飛行器側(cè)翼定義。增加電機(jī)M2轉(zhuǎn)速的同時(shí)減小電機(jī)M3的轉(zhuǎn)速，四軸飛行器就會(huì)沿M1與M4所在的軸向M3的方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)M1指向前進(jìn)方向時(shí)，四軸處于滾轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)M2指向前進(jìn)方向時(shí)，四軸處于俯仰狀態(tài)。

3) 航向控制。當(dāng)飛行器處于懸停狀態(tài)，同時(shí)改變某一對(duì)角線兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使兩個(gè)電機(jī)所產(chǎn)生的扭矩?cái)?shù)值不相等，電機(jī)產(chǎn)生的扭矩不能被完全抵消，飛行器會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。要想平穩(wěn)地控制四軸飛行器的航向，就要同時(shí)調(diào)整四只電機(jī)的轉(zhuǎn)速。若電機(jī)M1、M4逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)M2、M3順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，增大M2、M3轉(zhuǎn)速的同時(shí)減小M1、M4的轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的原理，四軸飛行器就會(huì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)以保持慣性矩的平衡。反之，如果M1與M4的轉(zhuǎn)速大于M2與M3的轉(zhuǎn)速，四軸飛行器就會(huì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在飛行時(shí)就表現(xiàn)為四軸飛行器的航向發(fā)生了變化。

2硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)總體框圖如圖2所示，主要包括主控單元，傳感器模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，無(wú)線通訊模塊及電源模塊等。

圖2　總體框圖

1) 主控單元。主控模塊本設(shè)計(jì)選用了ARM公司推出的一款接口豐富，功能強(qiáng)大的STM32微控制器，主要功能是采集傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算出飛行器的姿態(tài)信息、高度信息、位置信息等，接收遙控命令數(shù)據(jù)，將當(dāng)前姿態(tài)與目標(biāo)姿態(tài)進(jìn)行比較，計(jì)算出各電機(jī)PWM脈沖占空比值控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

2) 傳感器模塊。采用IMU傳感器測(cè)量飛行器在三維立體空間里的加速度與角速度，并通過(guò)這兩個(gè)信號(hào)計(jì)算出飛行器的飛行姿態(tài)，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)主控制器預(yù)算后，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制各電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊依據(jù)所選電機(jī)不同有所不同。無(wú)刷電機(jī)需單獨(dú)設(shè)計(jì)電子調(diào)速器作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通常與主控制器模塊分開(kāi)設(shè)計(jì)；有刷電機(jī)可以直接采用普通三極管或MOS管元件組成，與主控制器模塊集成一體[2]。

4) 無(wú)線通訊模塊。無(wú)線通訊模塊本設(shè)計(jì)選用WFT07 2.4 GHz無(wú)線遙控設(shè)備，包括WFT07無(wú)線遙控器和WFR07S無(wú)線接收機(jī)，無(wú)線數(shù)據(jù)通信選用了2.4 G無(wú)線通信模塊E01-ML01DP3無(wú)線通信模塊。本模塊主要用來(lái)接收遙控器發(fā)送命令，經(jīng)主控制器運(yùn)算后，控制飛行器動(dòng)作，同時(shí)也可向地面遙控器發(fā)送數(shù)據(jù)。為了更好地控制飛行姿態(tài)，無(wú)線通訊模塊需具備至少4通道信號(hào)，分別控制飛行器升降、俯仰、翻滾及旋轉(zhuǎn)。

5) 電源模塊。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供能量，本設(shè)計(jì)的電源模塊采用11.1 V鋰電池，給微控制器、無(wú)線通訊模塊、傳感器模塊供電時(shí)采用LM2576-3.3的開(kāi)關(guān)電源模塊，將大容量鋰電池的11.1 V電壓轉(zhuǎn)換到3.3 V；給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電時(shí)采用LM2576-5.0的開(kāi)關(guān)電源模塊，將大容量鋰電池的11.1 V電壓轉(zhuǎn)換到5 V。

3軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的四軸飛行器控制系統(tǒng)利用定時(shí)器中斷形式，每1 ms采集傳感器數(shù)據(jù)，每2 ms根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)分析姿態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)姿態(tài)信息發(fā)出控制信息。

具體的控制流程如下：首先讀取傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，接收無(wú)線遙控模塊的控制信號(hào)，解析指令后計(jì)算出要求的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)，然后通過(guò)飛行控制算法計(jì)算出所需的控制量，根據(jù)控制量調(diào)節(jié)PWM的占空比再經(jīng)過(guò)電子調(diào)速器控制四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制實(shí)現(xiàn)飛行器飛行姿態(tài)的控制[3]。

軟件總體流程圖如圖3所示。系統(tǒng)初始化即在執(zhí)行外部控制前，系統(tǒng)MCU內(nèi)部進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘、各模塊時(shí)鐘、內(nèi)部總線、外部總線、控制參數(shù)以及內(nèi)部資源初始化等。在計(jì)算姿態(tài)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用定時(shí)器中斷的形式，采樣頻率固定為1 000 Hz，即每1 ms讀取一次傳感器的數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)做滑動(dòng)平均濾波處理，濾波后將陀螺儀數(shù)據(jù)與加速度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，計(jì)算出姿態(tài)信息。

圖3　軟件總體流程圖

4結(jié)束語(yǔ)

四軸飛行器與固定翼飛行器相比，具備升力大、穩(wěn)定性好、動(dòng)作靈活等優(yōu)勢(shì)，在軍事領(lǐng)域如秘密地形探測(cè)、偵查、軍事打擊等；自然研究領(lǐng)域：對(duì)某些地域人類(lèi)無(wú)法到達(dá)或者不適合人類(lèi)活動(dòng)的地方進(jìn)行地形地質(zhì)探測(cè)或環(huán)境監(jiān)測(cè)；救援領(lǐng)域；通信領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]許震，毛麗民，劉同連，等.四軸飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2013(2)：109-113.

[2]黃鵬宇，曾路榮，楊川，等.一種新型災(zāi)難救援四軸航拍飛行器設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2014(6)：124-128.

[3]叢吉，王立忠，宋揚(yáng)，等.多功能探測(cè)安防智能四軸飛行器的研制[J].高師理科學(xué)刊，2014(1)：41-43.

Research and Design of Four-axis Aircraft Based on STM32

Jin Wei

(SuzhouInstituteofIndustrialTechnology,SuzhouJiangsu215104,China)

Abstract:Four-axis aircraft is a new type of unmanned aerial vehicles, which has the advantages of simple structure, excellent flight stability. It has a broad field for application and a strong practical value. This design takes STM32 as the core of control, the control algorithm adopts PID control, the hardware mainly includes the main control unit, sensor module, motor driver module, wireless communication module and power module, etc.

Key words:four-axis aircraft; STM32; PID control

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)01- 0092- 02

作者簡(jiǎn)介：金薇(1974- )，女，江蘇吳江人，蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與通信工程系，副教授，碩士，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。

收稿日期：2015-11-13