基于STM32單片機(jī)的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘要】本文首先分析了無人機(jī)飛控系統(tǒng)工作原理，并以STM32單片機(jī)為基礎(chǔ)平臺(tái)，提出了飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、捷聯(lián)導(dǎo)航系統(tǒng)。希望通過本文的研究可以進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)在自主研發(fā)無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)方面的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】飛行控制系統(tǒng);單片機(jī);無人機(jī);工作原理;設(shè)計(jì)方案

引言：無人駕駛飛機(jī)自上世紀(jì)30年代發(fā)展至今，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，如違建查處、高壓巡線、農(nóng)藥噴灑、森林防火等，極大的拓展了人類生產(chǎn)生活范圍，引領(lǐng)人類進(jìn)入了全新的無人機(jī)時(shí)代。同時(shí)，對(duì)無人機(jī)飛控系統(tǒng)的要求也日益提升，從目前主要趨勢(shì)看，正在朝向小型化、智能化方向發(fā)展。本文主要研究的是，建立在STM32單片機(jī)基礎(chǔ)上的新型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)。

一、無人機(jī)飛控系統(tǒng)工作原理

無人機(jī)飛控系統(tǒng)工作原理為：如果飛機(jī)發(fā)生偏離，此時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部敏感元件會(huì)及時(shí)感受到飛機(jī)具體的偏離方向、角度，以信號(hào)的方式進(jìn)行輸出，而后通過放大、計(jì)算等處理過程，對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行操縱，如舵機(jī)，從而達(dá)到讓方向舵面偏轉(zhuǎn)的目的。以往飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)中，需要使用到相關(guān)參數(shù)用來描述飛機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其中使用到了姿態(tài)角、角速度、線速度，此外，還有線位移、氣流角。在無人參與情況下，飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)可以自動(dòng)控制這幾個(gè)參數(shù)。該控制系統(tǒng)屬于數(shù)字式控制，必須將傳感器輸出信號(hào)的模擬信號(hào)進(jìn)行及時(shí)轉(zhuǎn)換，才可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的自主控制[1]。

二、飛行控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

所謂的飛行控制系統(tǒng)，主要指的就是建立在飛行控制計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上的，融合機(jī)載傳感器、伺服舵機(jī)、地面測(cè)控、配電，各項(xiàng)資源統(tǒng)一調(diào)度分配，且可以實(shí)現(xiàn)相互運(yùn)作的數(shù)字式控制系統(tǒng)。而本文的研究，主要的目的就是設(shè)計(jì)出一個(gè)數(shù)字化、小型化無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，同時(shí)，這種系統(tǒng)不需要較高成本，但卻可以更好的為無人機(jī)飛行狀態(tài)測(cè)量、控制律解算等工作提供高質(zhì)量的服務(wù)。其中，主要的核心飛控計(jì)算機(jī)是STM32F103VE微控制器，與此同時(shí)，將傳感器、電源模塊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及飛控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)到同一主控電路板上，主要目的就是為了實(shí)現(xiàn)小型化，進(jìn)而縮小飛控系統(tǒng)空間。

（一）機(jī)載飛控系統(tǒng)

飛控計(jì)算機(jī)、電源模塊、GPS模塊是機(jī)載飛控系統(tǒng)的重要組成部分，此外，還有數(shù)傳電臺(tái)、傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。綜合分析機(jī)載飛控系統(tǒng)，其主要功能就是：1、上傳控制指令和控制律參數(shù)，這一過程是依賴于數(shù)據(jù)鏈路的作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)導(dǎo)航、飛行狀態(tài)信息的傳達(dá)。2、在數(shù)字傳感器的作用下，如三軸磁強(qiáng)計(jì)、三軸陀螺、三軸加速度計(jì)等，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高精度的數(shù)據(jù)采集，與此同時(shí)，也可以結(jié)合實(shí)際情況預(yù)留相應(yīng)的數(shù)字或者模擬接口，方便后續(xù)擴(kuò)充傳感器使用。3、機(jī)載飛控系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，手動(dòng)功能主要服務(wù)于研制初期的手控飛行試驗(yàn)，而自動(dòng)則可以滿足自主飛行時(shí)的突發(fā)情況應(yīng)對(duì)需求。4、無人機(jī)的姿態(tài)、自主飛行等模式，在機(jī)載飛控系統(tǒng)作用下可以實(shí)現(xiàn)控制律的解算。5、機(jī)載飛控系統(tǒng)中的電源模塊，保證穩(wěn)定輸出電平，從而更好的滿足各個(gè)模塊使用需求。6、通過濾波、解算傳感器信息的過程，最終獲得無人機(jī)較為精準(zhǔn)的導(dǎo)航信息，比如無人機(jī)的姿態(tài)、飛行速度/方位等情況。

（二）地面測(cè)控系統(tǒng)

地面測(cè)控系統(tǒng)涵蓋了數(shù)傳模塊、測(cè)控計(jì)算機(jī)，此外，還有發(fā)射機(jī)、地面監(jiān)控主界面，該系統(tǒng)可以借助數(shù)據(jù)鏈路，向機(jī)載飛控系統(tǒng)發(fā)送控制指令、控制參數(shù)，不僅如此，也能夠第一實(shí)時(shí)接收飛控系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)信息，及時(shí)掌握具體情況。地面測(cè)控系統(tǒng)發(fā)送手動(dòng)遙控信號(hào)主要是利用發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)的。其中，地面站軟件部分，需要展現(xiàn)出人機(jī)界面，讓人清晰的看到導(dǎo)航信息，進(jìn)而完成人機(jī)交互。在地面測(cè)控系統(tǒng)中，需要具備記錄飛行數(shù)據(jù)的功能。并能夠在線完成控制律參數(shù)的調(diào)試。

三、基于單片機(jī)的捷聯(lián)導(dǎo)航

若想實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行控制，最為重要的就是獲取到精確的飛行姿態(tài)、飛行速度、飛行位置等導(dǎo)航信息，所以，高效、精準(zhǔn)、易實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航算法是其中的重點(diǎn)。在本次研究中，主要對(duì)象是無人機(jī)捷聯(lián)導(dǎo)航算法，這其中涉及到了一些傳感器，比如磁強(qiáng)計(jì)、微機(jī)械陀螺、加速度計(jì)等，在這些傳感器應(yīng)用基礎(chǔ)上，又引入了數(shù)學(xué)平臺(tái)相關(guān)構(gòu)件，組建了導(dǎo)航參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，通過運(yùn)用氣壓計(jì)、GPS等推算出飛機(jī)的速度、位置等信息。通常情況下，會(huì)利用信息融合方法達(dá)到獲得精準(zhǔn)導(dǎo)航信息的目的。但是依托單片機(jī)平臺(tái)下的導(dǎo)航濾波算法，在研究過程中，需要構(gòu)建出傳感器的誤差模型，同時(shí)，為了補(bǔ)償姿態(tài)誤差，可以借助濾波，通過相應(yīng)的組合方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)剛體加速度不良影響的合理控制。此外，對(duì)于姿態(tài)的評(píng)估，需要運(yùn)用分級(jí)式的組合方法，利用速度和位置卡爾曼濾波器，解析GPS輸出的信息，最終完成無人機(jī)速度、位置的解算。

結(jié)束語：總而言之，建立單片機(jī)基礎(chǔ)上，構(gòu)建的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，通過本文的有關(guān)研究不難發(fā)現(xiàn)，由于無人機(jī)系統(tǒng)本身具有非常強(qiáng)的復(fù)雜性，并且其中涉及到了很多方面的工作銜接，但是此次研究實(shí)踐中，只是利用了一片STM32F103VE微控制器作為飛控計(jì)算機(jī)，此種情況下，一旦遇到相對(duì)復(fù)雜的運(yùn)行算法，難免會(huì)出現(xiàn)一些問題，因此，還需要進(jìn)一步研究，不斷地完善，但依然希望通過本文的分析可以為無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考與借鑒，推動(dòng)無人機(jī)發(fā)展，造福人類。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡慶.基于STM32單片機(jī)的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京航空航天大學(xué)，2019，67（23）：123-124.

[2]尚何章.小型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京航空航天大學(xué)，2018，61（012）：124-125.

作者簡(jiǎn)介：聶芳，男，漢族，籍貫：四川眉山生于：1982-07，工作單位：四川大學(xué)錦城學(xué)院，單位省市：四川省成都市，單位郵編：610000，職稱：講師，碩士學(xué)歷，研究方向：主要從事單片機(jī)嵌入式。