基于STM32四軸飛行器的設(shè)計(jì)

解琛

摘 要 四軸飛行器是一種小型的飛行器平臺(tái)，其控制系統(tǒng)的核心是STM32單片機(jī)，具有性價(jià)比高、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，基于STM32的飛行器具有十分廣泛的用途。因此，本文就基于STM32四軸飛行器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)介紹，主要內(nèi)容包括四軸飛行器的動(dòng)力學(xué)分析、基于STM32四軸飛行器的總體設(shè)計(jì)方案與程序設(shè)計(jì)以及電子硬件電路與軟件程序

調(diào)試。

關(guān)鍵詞 四軸飛行器；STM32單片機(jī)；電子硬件電路

中圖分類號(hào) V2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）17-0061-02

四軸飛行器由于其體積小、飛行高度與速度較低、飛行狀態(tài)平穩(wěn)、靈活等特點(diǎn)，在空間狹小的作業(yè)區(qū)域具有較高的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際生活當(dāng)中，四軸飛行器常被應(yīng)用與火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)探明險(xiǎn)情或高層搜救當(dāng)中；在地震等災(zāi)害導(dǎo)致通訊中斷的情況下，也可借由四軸飛行器作為空中通訊中轉(zhuǎn)。四軸飛行器在設(shè)計(jì)過(guò)程中存有很多的技術(shù)難點(diǎn)，需要對(duì)其實(shí)際使用過(guò)程中受到的物理效應(yīng)、氣流與環(huán)境的干擾等進(jìn)行重點(diǎn)考量，才能更好地實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值。

1 四軸飛行器的動(dòng)力學(xué)分析

四軸飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)的飛行運(yùn)動(dòng)包括爬升、橫滾調(diào)節(jié)、下降、俯仰調(diào)節(jié)、偏航調(diào)節(jié)，本文選用的四軸飛行器外形呈現(xiàn)為“X”型（如圖1所示），電機(jī)就安裝在“X”的四個(gè)角上。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為避免4個(gè)電機(jī)同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生自旋運(yùn)動(dòng)，安裝時(shí)要保證對(duì)角電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，相鄰的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向

相反。

關(guān)于電機(jī)的輸出功率，若其提供的升力大于飛行器本身的自重，則飛行器能夠垂直升起；若要飛行器降落，則要保持飛行器的輸出功率持續(xù)降低。當(dāng)相鄰兩個(gè)電機(jī)的輸出功率大于或小于另外兩個(gè)電機(jī)的輸出功率時(shí)飛行器就能進(jìn)行向指定方向運(yùn)動(dòng)。若減小對(duì)角兩個(gè)電機(jī)的輸出功率，同時(shí)增加另外兩個(gè)電機(jī)的輸出功率，則飛行器能夠完成偏航

運(yùn)動(dòng)。

2 基于STM32四軸飛行器的總體設(shè)計(jì)方案

2.1 飛行器設(shè)計(jì)方案

基于STM32四軸飛行器的控制器即為STM32單片機(jī)，在接收到PC端由藍(lán)牙發(fā)送的控制或調(diào)試指令后，可通過(guò)ⅡC接口設(shè)置MPU6050傳感器，并將傳感器的輸出設(shè)定為DMP的輸出模式。MPU6050傳感器的作用就是感受四軸飛行器在飛行過(guò)程中的飛行姿態(tài)信息，為STM32通過(guò)計(jì)算得出具體飛行姿態(tài)提供重要的解算數(shù)據(jù)，STM32的解算過(guò)程采用的是串級(jí)PID算法；通過(guò)計(jì)算得出的PWM信號(hào)被進(jìn)一步輸送至電調(diào)，而電調(diào)在接收到信號(hào)指令后就會(huì)控制4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四軸飛行器的飛行姿態(tài)調(diào)整，保證四軸飛行器達(dá)到并維持平衡飛行的狀態(tài)。

2.2 飛行器硬件電路的設(shè)計(jì)

基于STM32四軸飛行器的硬件電路設(shè)計(jì)，需要包含以下電路內(nèi)容：STM32最小系統(tǒng)電路與電源供電電路、MPU6050傳感器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及藍(lán)牙接口電路。其中的STM32最小系統(tǒng)電路在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保復(fù)位電路、晶振電路、JTAG配置電路設(shè)計(jì)完全，該電路設(shè)計(jì)的主要作用就是確保STM32控制器能夠正常運(yùn)行，此種電路設(shè)計(jì)是最簡(jiǎn)化的電路

形式[1]。

電源供電電路的設(shè)計(jì)。本文所選用的基于STM32四軸飛行器的正常運(yùn)行，只需3.3V的一路恒壓電源，且運(yùn)行時(shí)消耗的功率極小。STM32控制系統(tǒng)中的電源供電電路芯片為AMS1117，電路輸出的3.3V電壓只需供給MPU6050傳感器、STM32控制器以及JTAG配置

電路。

傳感器電路的設(shè)計(jì)。MPU6050傳感器電路的主要作用就是獲取四軸飛行器的飛行姿態(tài)信息數(shù)據(jù)，并將其提供給STM32控制器。傳感器通過(guò)信號(hào)傳輸?shù)姆绞将@取的數(shù)據(jù)信息，能夠輔助STM32控制器完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，確保飛行穩(wěn)定。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路即是電機(jī)接口電路，其結(jié)構(gòu)主要包括電調(diào)與電機(jī)兩部分，主要的功能是傳輸由STM32控制器發(fā)出的PMW信號(hào)至電調(diào)，電調(diào)再進(jìn)一步控制飛行器的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，確保飛行器的穩(wěn)定

運(yùn)行。

藍(lán)牙接口電路的設(shè)計(jì)。在調(diào)試程序的過(guò)程中，需要對(duì)飛行器的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)觀察，一般來(lái)說(shuō)，采用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察需要使用連接線，不適用于飛行器這種動(dòng)態(tài)設(shè)備，藍(lán)牙接口電路這種無(wú)線調(diào)試方式更加便捷。藍(lán)牙模塊在設(shè)計(jì)時(shí)，芯片采用HC-05型號(hào)，用于上位機(jī)與STM32控制器中間的調(diào)試，其設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是串口通信

方式。

3 基于STM32四軸飛行器的程序設(shè)計(jì)

3.1 遙控程序設(shè)計(jì)

遙控程序的設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，STM32控制器的編程有兩種方式，一種是寄存器操作，另一種是庫(kù)操作。其中，寄存器操作的形式具有執(zhí)行效率高、可讀性差的特點(diǎn)；而庫(kù)操作的應(yīng)用適用性更強(qiáng)，在編程之前，需要優(yōu)先將STM32控制器的庫(kù)函數(shù)添加到工程當(dāng)中，與此同時(shí)還應(yīng)做好時(shí)鐘、GPIO等基本配置。STM32控制器在執(zhí)行程序的過(guò)程中，執(zhí)行順序?yàn)橛缮系较轮饤l執(zhí)行，因此在進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意其分布的條理性。遙控程序模塊設(shè)計(jì)流程如下：RCC初始化、GPIO初始化、TFT初始化、無(wú)限模塊初始化串口初始化；遙感數(shù)據(jù)采集；發(fā)送控制信號(hào)；接收姿態(tài)信息；刷新TFT顯示數(shù)據(jù)；重復(fù)刷新TFT顯示數(shù)據(jù)；將顯示數(shù)據(jù)通過(guò)串口輸送至PC端；重復(fù)進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)采集及以下

流程。

3.2 飛控程序設(shè)計(jì)

飛控程序的設(shè)計(jì)與遙控程序設(shè)計(jì)的初始化部分具有諸多相似之處，區(qū)別在于后續(xù)控制部分，飛控程序的控制相較之下更為復(fù)雜，對(duì)四軸飛行器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有很大的影響作用。在進(jìn)行飛控程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)人員了解并熟練掌握較多程序算法，如姿態(tài)解算、傳感器的濾波算法、PID控制算法等；其中的濾波算法又能夠細(xì)分出多種類別，如卡爾曼濾波、融合濾波、融合濾波等；姿態(tài)解算的核心算法是四元素與歐拉角等。在STM32控制器的軟件編程過(guò)程中，部分可采用C語(yǔ)言進(jìn)行，主要作用就是完成初始化數(shù)據(jù)的采集、遙控信號(hào)解碼以及電機(jī)控制姿態(tài)角解endprint

算等[2]。

3.3 串口與MPU6050傳感器的中斷子程序設(shè)計(jì)

串口與MPU6050傳感器中斷部分的作用主要是進(jìn)行MPU6050傳感器傳輸數(shù)據(jù)的處理，將數(shù)據(jù)信息傳送至STM32控制器當(dāng)中進(jìn)行相應(yīng)的輸出脈寬計(jì)算，并對(duì)最終的輸出脈寬進(jìn)行輸出限幅與輸出給電調(diào)，有效控制飛行器的四個(gè)電機(jī)的正常運(yùn)行，從而確保飛行器的穩(wěn)定飛行。在串口中斷子程序當(dāng)中，程序設(shè)計(jì)核心為對(duì)幀頭與幀尾、冗余校驗(yàn)的正確性進(jìn)行

判斷。

4 電子硬件電路與軟件程序的調(diào)試

電子硬件電路的調(diào)試需要先對(duì)遙控器進(jìn)行調(diào)試。首先，應(yīng)對(duì)電路板是否能夠進(jìn)行正常工作進(jìn)行確認(rèn)，主要的做法如下：首先要寫一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的程序，該程序能夠讓電路板上的指示燈閃爍，若電路板上的指示燈能夠正常閃爍且能夠正常下載程序，則說(shuō)明電路板主控結(jié)構(gòu)正常，能夠繼續(xù)進(jìn)行下一步的硬件調(diào)試確認(rèn)，直到最終全部完成整體硬件電路的調(diào)試

工作[3]。

在軟件程序編寫完成之后，針對(duì)遙控器與飛行控制板要進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)試工作。在基于STM32四軸飛行器的設(shè)計(jì)中，對(duì)遙控器與飛行控制板的調(diào)試工作是一個(gè)難點(diǎn)部分，將飛行控制板在四軸飛行器的機(jī)架位置固定好，并將其余零部件全部進(jìn)行組裝。在飛行器組裝完成后，不能直接進(jìn)行試飛操作，而是要將飛行器處于懸停狀態(tài)進(jìn)行觀察，這主要是由于軟件程序編寫可能存在缺陷，直接試飛可能造成飛行器損壞。打開飛行器與遙控器之后，在飛行器處于懸停狀態(tài)下進(jìn)行觀察，依據(jù)實(shí)際現(xiàn)象進(jìn)一步修改PID參數(shù)，通過(guò)不斷的調(diào)試、修改，當(dāng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)結(jié)果后，預(yù)期控制目的得以實(shí)現(xiàn)，則整機(jī)調(diào)試工作結(jié)束。

5 結(jié)論

綜上所述，對(duì)基于STM32四軸飛行器的設(shè)計(jì)分析，有利于提升四軸飛行器的使用性能與應(yīng)用范圍。通過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)，能夠更好的實(shí)現(xiàn)四周飛行器爬升、橫滾調(diào)節(jié)、下降、俯仰調(diào)節(jié)、偏航調(diào)節(jié)等飛行形式，從而提升其在實(shí)際救援等活動(dòng)中的適用性，提升其應(yīng)用價(jià)值。因此，要不斷深入研究基于STM32四軸飛行器的相關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化，同時(shí)為其他類型的多軸飛行器的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供有效的設(shè)計(jì)參考。

參考文獻(xiàn)

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