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

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人飛行器，其結(jié)構(gòu)簡單，有著卓越的飛行穩(wěn)定性，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域及很強的實用價值。本設(shè)計以STM32為主控核心，控制算法采用PID控制，硬件設(shè)計包括主控單元、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、無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人飛行器的一種，擁有四個對稱十字交叉分布螺旋槳，機械結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整兩對螺旋槳所產(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附加一些傳感器達(dá)到控制自主飛行，也可以通過無線遙控技術(shù)人為控制飛行。與傳統(tǒng)的單旋翼直升機相比，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，螺旋槳和電機組成。

圖1　四軸飛行器結(jié)構(gòu)圖

在飛行中M1與M3順時針旋轉(zhuǎn)，M2與M4逆時針旋轉(zhuǎn)，即：相對的兩個電機同向旋轉(zhuǎn)，相鄰的兩個電機反向旋轉(zhuǎn)。通過軟件設(shè)計來控制四只螺旋槳的轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)飛行姿態(tài)的變化[1]。

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

2) 俯仰與滾轉(zhuǎn)控制。俯仰動作是以飛行器頭部與尾部為基準(zhǔn)定義，滾轉(zhuǎn)動作是相對于飛行器側(cè)翼定義。增加電機M2轉(zhuǎn)速的同時減小電機M3的轉(zhuǎn)速，四軸飛行器就會沿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，四軸處于滾轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)M2指向前進(jìn)方向時，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)，同時改變某一對角線兩個電機轉(zhuǎn)速，使兩個電機所產(chǎn)生的扭矩數(shù)值不相等，電機產(chǎn)生的扭矩不能被完全抵消，飛行器會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動作。要想平穩(wěn)地控制四軸飛行器的航向，就要同時調(diào)整四只電機的轉(zhuǎn)速。若電機M1、M4逆時針旋轉(zhuǎn)，電機M2、M3順時針旋轉(zhuǎn)，增大M2、M3轉(zhuǎn)速的同時減小M1、M4的轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量的原理，四軸飛行器就會逆時針旋轉(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，四軸飛行器就會順時針旋轉(zhuǎn)。在飛行時就表現(xiàn)為四軸飛行器的航向發(fā)生了變化。

2硬件設(shè)計

本設(shè)計總體框圖如圖2所示，主要包括主控單元，傳感器模塊，電機驅(qū)動模塊，無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)計選用了ARM公司推出的一款接口豐富，功能強大的STM32微控制器，主要功能是采集傳感器數(shù)據(jù)，計算出飛行器的姿態(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，計算出各電機PWM脈沖占空比值控制電機驅(qū)動模塊。

2) 傳感器模塊。采用IMU傳感器測量飛行器在三維立體空間里的加速度與角速度，并通過這兩個信號計算出飛行器的飛行姿態(tài)，測量數(shù)據(jù)經(jīng)主控制器預(yù)算后，通過電機驅(qū)動模塊控制各電機轉(zhuǎn)速。

3) 電機驅(qū)動模塊。電機驅(qū)動模塊依據(jù)所選電機不同有所不同。無刷電機需單獨設(shè)計電子調(diào)速器作為電機驅(qū)動模塊，通常與主控制器模塊分開設(shè)計；有刷電機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) 無線通訊模塊。無線通訊模塊本設(shè)計選用WFT07 2.4 GHz無線遙控設(shè)備，包括WFT07無線遙控器和WFR07S無線接收機，無線數(shù)據(jù)通信選用了2.4 G無線通信模塊E01-ML01DP3無線通信模塊。本模塊主要用來接收遙控器發(fā)送命令，經(jīng)主控制器運算后，控制飛行器動作，同時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)，無線通訊模塊需具備至少4通道信號，分別控制飛行器升降、俯仰、翻滾及旋轉(zhuǎn)。

5) 電源模塊。電源模塊為整個系統(tǒng)提供能量，本設(shè)計的電源模塊采用11.1 V鋰電池，給微控制器、無線通訊模塊、傳感器模塊供電時采用LM2576-3.3的開關(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；給電機驅(qū)動模塊供電時采用LM2576-5.0的開關(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

本設(shè)計的四軸飛行器控制系統(tǒng)利用定時器中斷形式，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)計算，接收無線遙控模塊的控制信號，解析指令后計算出要求的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)，然后通過飛行控制算法計算出所需的控制量，根據(jù)控制量調(diào)節(jié)PWM的占空比再經(jīng)過電子調(diào)速器控制四個旋翼的轉(zhuǎn)速，通過對轉(zhuǎn)速的控制實現(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)時鐘、各模塊時鐘、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。在計算姿態(tài)程序設(shè)計過程中，采用定時器中斷的形式，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)，對采集到的原始數(shù)據(jù)做滑動平均濾波處理，濾波后將陀螺儀數(shù)據(jù)與加速度計數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，計算出姿態(tài)信息。

圖3　軟件總體流程圖

4結(jié)束語

四軸飛行器與固定翼飛行器相比，具備升力大、穩(wěn)定性好、動作靈活等優(yōu)勢，在軍事領(lǐng)域如秘密地形探測、偵查、軍事打擊等；自然研究領(lǐng)域：對某些地域人類無法到達(dá)或者不適合人類活動的地方進(jìn)行地形地質(zhì)探測或環(huán)境監(jiān)測；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[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報(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[J].四川兵工學(xué)報，2014(6)：124-128.

[3]叢吉，王立忠，宋揚，等.多功能探測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

中圖分類號：TP368.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674- 4578(2016)01- 0092- 02

作者簡介：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