吳司林　王強(qiáng)　藍(lán)東浩

【摘 要】隨著信息化時(shí)代的蓬勃發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷更新，飛行器被廣泛的應(yīng)用在軍事偵查、航拍以及民用快遞運(yùn)輸?shù)戎T多行業(yè)。同時(shí)飛行器本身也向著飛行控制簡(jiǎn)單、飛行續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、自動(dòng)尋航等方面發(fā)展。飛行器以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103C8T6芯片做為主控，由無線通訊模塊NRF24L01、加速度和角速度傳感器MPU6050芯片、空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以及電源管理模塊等五部分組成。控制器通過讀取自身傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)，利用卡爾曼濾波算法和互補(bǔ)濾波算法對(duì)飛行器進(jìn)行姿態(tài)解算，再通過數(shù)字PID控制器、模糊算法等控制算法控制電機(jī)輸出，實(shí)現(xiàn)飛行器在空中穩(wěn)定的飛行[1]。

【關(guān)鍵詞】四軸飛行器；無線通訊；姿態(tài)解算；PID控制算法；模糊算法

中圖分類號(hào)： TP391.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）09-0097-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.045

Design and implementation of aircraft based on STM32 microprocessor

WU Si-lin WANG Qang LAN Dong-hao

（North Minzu University，Ningxia Yinchuan City，750021，China）

【Abstract】With the vigorous development of the information age and the continuous updating of science and technology， the aircraft has been widely used in military reconnaissance， aerial photography and civil express transportation.At the same time， the aircraft itself is developing towards the simple flight control， long endurance and automatic navigation.Aircraft with architecture M3 as the kernel STM32F103C8T6 chip as master， by the wireless module NRF24L01 MPU6050， acceleration and angular velocity sensor chip， hollow cup motor drive， and power management module of five parts.Controller by reading their own sensor real-time acquisition data and processing data， using kalman filter algorithm and complementary filter algorithm for aircraft attitude algorithm， and through the digital PID controller， fuzzy algorithm， such as control algorithm to control motor output， to achieve stable flying aircraft in the air.

【Key words】Four-axis aircraft；Wireless communication；Attitude calculation；PID control algorithm；Fuzzy algorithm

目前飛行器廣泛應(yīng)用于軍事、民用以及科學(xué)研究等多個(gè)領(lǐng)域。在抗險(xiǎn)救災(zāi)、噴灑農(nóng)藥、監(jiān)控巡邏、航拍等方面的運(yùn)用凸顯出了飛行器的實(shí)用價(jià)值。飛行器逐漸成為了一個(gè)新興的行業(yè)。多旋翼飛行器作為一個(gè)智能化的參品無論是在穩(wěn)定性、可靠性和安全性等技術(shù)方面還是在實(shí)用性方面都提出了很高的要求。飛行器首先要考慮的是空中懸停，無人機(jī)懸停控制算法的設(shè)計(jì)過程往往很復(fù)雜，需要考慮各種因素；其次就是承載能力，作業(yè)時(shí)飛行器不可能空載而飛，需要帶各種作業(yè)所需工具；最后需要考慮的是飛行器飛行時(shí)間。因此，要解決飛行器穩(wěn)定可靠長(zhǎng)時(shí)間的飛行，控制算法的設(shè)計(jì)、電源的處理和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是重要問題。

1 總體設(shè)計(jì)方案

該設(shè)計(jì)由內(nèi)核為Cortex-M3的STM32F103C8T6芯片作為主控，它是一個(gè)內(nèi)核為32 位的微處理器。具有低成本低、低功耗、高性能、高代碼密度、小硅片面積等特點(diǎn)。該控制器的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)接收并處理各傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)和處理通訊模塊所接收的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)將處理好的數(shù)據(jù)輸出來調(diào)整飛行器的姿態(tài)，使飛行器平穩(wěn)的飛行[1]。飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù)通過陀螺儀MPU6050傳感器來采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過控制器處理之后對(duì)飛行器的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整；飛行指令通過NRF24L01無線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)射，對(duì)飛行器進(jìn)行指令的操作，主要由遙控發(fā)射數(shù)據(jù)指令，同時(shí)主控接收指令并處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器操控。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如下所示：

圖1 統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

任何控制類的設(shè)計(jì)都少不了最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最小系統(tǒng)是任何一個(gè)處理器正常工作的必要條件，由電源、復(fù)位及振蕩電路組成。對(duì)于一個(gè)完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，首先需要解決整個(gè)系統(tǒng)的供電問題，電源是任何系統(tǒng)正常運(yùn)行的支撐，所有系統(tǒng)離開了電源將不再有任何價(jià)值，因此電源的處理是任何一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。復(fù)位作用是將系統(tǒng)從一個(gè)未知的狀態(tài)始化到一個(gè)非常明確的狀態(tài)。振蕩電路為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)[2]。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是控制器處理完數(shù)據(jù)之后執(zhí)行操作的一部分，控制器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后以PWM脈沖的形式輸出給電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)8250空心杯電機(jī)的的控制。在MOS開啟瞬間時(shí)需要消耗電流，如果電流過大，會(huì)導(dǎo)致瞬間開啟，縮短MOS管的壽命[3]。MOS管高電平導(dǎo)通，通過PWM占空比控制MOS管的導(dǎo)通，從而控制電機(jī)的平均功率。

2.3 MPU6050模塊

MPU6050內(nèi)部含有的DMP可實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解算，不僅簡(jiǎn)化控制算法的設(shè)計(jì)，而且降低了主控的負(fù)擔(dān)，省去了姿態(tài)解算的過程，從而有更多的時(shí)間去處理其他事件，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。R6、R7為上拉電阻，電阻值可選取的范圍為2KΩ到10KΩ。由于接到I2C總線上的器件是漏極開路或集電極開路，因此在總線空閑期間，SDA和SCL都是高電平，可以防止外部干擾造成誤啟動(dòng)I2C總線[4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

硬件是軟件運(yùn)行的壞境，硬件的好壞直接影響著系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行，但如果要使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行僅靠硬件結(jié)構(gòu)是不夠的，軟件的運(yùn)行效率和結(jié)構(gòu)也有很大的影響。任何系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)都必須滿足三個(gè)要求，即穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。PID控制器中P表示比例，I表示積分，D表示積分，將三個(gè)變量聯(lián)系起來調(diào)整PID控制器的參數(shù)可設(shè)計(jì)出所需求的設(shè)計(jì)。PID控制器的算法可用以下式子表示：

其中：

Kp表示比例增益；

Ki表示積分增益；

Kd表示微分增益；

e表示偏差；

t表示時(shí)間；

此外，在該設(shè)計(jì)中還涉及到了姿態(tài)解算等算法。姿態(tài)解算的方法有很多種，其中常用的控制算法有卡爾曼濾波算法、互補(bǔ)濾波算法；每個(gè)算法各自有各自的特點(diǎn)，在不同的控制場(chǎng)合和控制要求可以選擇不同的算法實(shí)現(xiàn)相同或不同的功能。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生活水平的不斷提高，飛行器在各個(gè)領(lǐng)域的需求量不斷提高，對(duì)安全性、穩(wěn)定性、長(zhǎng)時(shí)間飛行、承載力、便攜等各方面的要求也越來越高?？刂扑惴ǖ脑O(shè)計(jì)是飛行器穩(wěn)定飛行的前提，控制算法的設(shè)計(jì)是編程的核心，該設(shè)計(jì)采用了數(shù)字PID控制算法、卡爾曼濾波算法等多種算法來解決飛行器的穩(wěn)定性，經(jīng)過多次的測(cè)試和調(diào)試，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。為使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，調(diào)試和測(cè)試過程中多次確認(rèn)每一個(gè)參數(shù)，以便飛行器在任何情況下都能穩(wěn)定的飛行，減少外界壞境的影響，將較為理想的參數(shù)取出來在不同的壞境下多次調(diào)試，以確認(rèn)更為穩(wěn)定的參數(shù)。

【參考文獻(xiàn)】

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[5]吳勇，羅國(guó)富，劉旭輝，周定江，肖松，楊松和.四軸飛行器DIY--基于STM32微控制器[M].北京航天航空大學(xué)出版社，2016：51-53.

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