基于STM32的四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝義建，陳躍東，舒圣焱

(安徽工程大學(xué)安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000)

引 言

四旋翼飛行器是一種配有4個(gè)螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器。與傳統(tǒng)的直升機(jī)不同，四旋翼飛行器只能通過改變螺旋槳的速度來實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。由于它是一種六自由度的垂直起降機(jī)，非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行，所以它在軍事和民用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用［1］。但是四旋翼飛行器只有四個(gè)輸入力，同時(shí)卻有六個(gè)狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這使得飛行控制器的設(shè)計(jì)變得非常困難。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的四旋翼飛行器，由于STM32具有低功耗、高性能、外設(shè)資源豐富、處理速度快、開發(fā)效率高并且還可以嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，使得四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)變得相對(duì)簡單［2］。

1 飛行器的工作原理和系統(tǒng)框圖

1.1 飛行器的工作原理

四旋翼飛行器通常有兩種模式，即十字模式和X模式，其中X模式的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在四個(gè)旋翼的頂端，均勻分布著四個(gè)電機(jī)，其中同一條直線上的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相同。即:電機(jī)1、3按照逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2、4按照順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。在空間中，四旋翼飛行器一共具有6個(gè)自由度(分別沿著X、Y、Z三軸平移和旋轉(zhuǎn))，規(guī)定沿著Z軸正向運(yùn)動(dòng)為垂直運(yùn)動(dòng)，則其他的五個(gè)自由度分別為俯仰運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)，通過控制4個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度即可控制這六個(gè)自由度［3］。例如:(1)垂直運(yùn)動(dòng):在圖1中，因?yàn)殡姍C(jī)1和電機(jī)3按照逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)4按照順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，所以它們對(duì)飛行器自身的反扭矩相互抵消。當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，飛行器總的拉力增大，若此時(shí)總拉力大于飛行器總重量時(shí)，飛行器便離開地面并垂直上升，反之，當(dāng)同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，飛行器垂直下降直至平衡落地，因此便實(shí)現(xiàn)了沿Z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。(2)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng):改變電機(jī)2、4的旋轉(zhuǎn)速度，并且保持電機(jī)1、3的旋轉(zhuǎn)速度不變，飛行器即可繞X軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在無外界干擾的情況下，當(dāng)旋翼產(chǎn)生的總拉力等于飛行器的自身總重量時(shí)，飛行器保持懸停狀態(tài)［4］。

1.2 飛行器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

圖1 X模式飛行器結(jié)構(gòu)示意圖

四旋翼飛行器控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖2所示，分別由數(shù)據(jù)采集模塊，電源管理模塊，控制器模塊，串口通信模塊，遙控控制模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)模塊等部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊由三只傳感器組成，負(fù)責(zé)采集飛行器的姿態(tài)信號(hào)，并通過I2C總線將數(shù)據(jù)傳送到控制器模塊，其中，控制器模塊采用了意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VET6作為系統(tǒng)的主控芯片，STM32系列是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的處理器，低功耗，處理速度快，最高工作頻率達(dá)到72 MHz。同時(shí)，遙控控制模塊將通過RC接口，發(fā)送遙控信號(hào)給控制器，控制器接收到姿態(tài)信號(hào)和遙控信號(hào)后，快速進(jìn)行姿態(tài)的解算和處理，產(chǎn)生PWM方波信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制飛行器的姿態(tài);整個(gè)系統(tǒng)由電源管理模塊提供電力［5］。

圖2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 飛行控制器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度，本模塊選用MPU-6050，采用多傳感器設(shè)計(jì)。MPU-6050是全球首例9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器，集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器 DMP(Digital Motion Processor)，可用 I2C接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器。本方案將這個(gè)I2C接口與三軸數(shù)字羅盤HMC5883L相連接，擴(kuò)展之后就可以通過其 I2C接口輸出一個(gè)9軸的信號(hào)，其中陀螺儀輸出飛行器的姿態(tài)角速率(偏航角速率、俯仰角速率、橫滾角速率)，加速度計(jì)分別輸出X、Y、Z軸加速度，數(shù)字羅盤配合加速度計(jì)為飛行器導(dǎo)航提供可靠的方向信息。同時(shí)，采用了MEAS(瑞士)公司推出的一款高分辨率氣壓傳感器MS5611，分辨率可達(dá)10 cm，它通過I2C總線與控制器STM32進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)飛行器的氣壓定高。具體硬件電路如圖3所示［6］。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊硬件電路

2.2 電源管理模塊

電源管理模塊主要負(fù)責(zé)給各個(gè)模塊提供電能，本系統(tǒng)使用了3S、2200 mAh、25C的11.1 V鋰電池作為總電源，它通過電調(diào)將11.1 V轉(zhuǎn)換成5 V電壓，并送給四個(gè)電機(jī)和飛行控制器，飛行控制器再通過電源芯片AMS1117-3.3 V，將 5 V 轉(zhuǎn)換為 3.3 V，送給處理器STM32F103VET6和串口通信模塊。具體硬件電路如圖4 所示［7］。

圖4 電源管理模塊硬件電路

2.3 串口通信模塊

飛行器在靜止?fàn)顟B(tài)下，需要與PC上位機(jī)進(jìn)行通信來配置飛行器的參數(shù)，串口通信模塊可實(shí)現(xiàn)這一功能。它采用美信公司的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232，MAX3232采用專有低壓差發(fā)送器輸出級(jí)，利用雙電荷泵在3.0 V至5.5 V電源供電時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的RS-232性能，器件僅需四個(gè) 0.1 μF的外部小尺寸電荷泵電容。MAX3232確保在120 kbps數(shù)據(jù)速率的同時(shí)保持RS-232輸出電平，具體硬件電路如圖5所示。

圖5 串口通信模塊硬件電路

2.4 電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

針對(duì)飛行器設(shè)計(jì)，選用了無刷電機(jī)，由于飛行器的姿態(tài)控制需要快速響應(yīng)，所以針對(duì)無刷電機(jī)，使用了無刷電調(diào)。利用STM32的PWM通道輸出1～2 ms的方波脈沖，重復(fù)頻率為20～50 Hz，輸出到電調(diào)的油門線(控制線)。由于是單向電調(diào)，1 ms表示0%的油門，2 ms表示100%的油門，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

2.5 遙控控制模塊

本模塊選用了天地飛七通道遙控器，同時(shí)將接收機(jī)上的油門、副翼、升降舵、方向舵通道分別與飛行控制器上的RC接口連接，通過接收機(jī)，操縱遙控器上的搖桿便可實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)控制［8］。

2.6 飛行控制器硬件實(shí)物

根據(jù)以上的硬件描述，所設(shè)計(jì)的飛行控制器實(shí)物如圖6所示。

3 飛行控制器的軟件設(shè)計(jì)流程

飛行控制器的軟件程序事是在MDK4.12開發(fā)環(huán)境下采用C語言編寫，其流程如圖7所示［9］。程序的開始先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行初始化以及完成各傳感器的校準(zhǔn)，并判斷系統(tǒng)是否正常。若系統(tǒng)正常，則從各傳感器獲取姿態(tài)數(shù)據(jù)，并讀取遙控器信號(hào)，控制器再解算姿態(tài)信號(hào)、解碼遙控信號(hào)、控制電機(jī)轉(zhuǎn)速等步驟，直到遙控發(fā)送停機(jī)信號(hào)結(jié)束飛行。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 飛行控制器實(shí)物

圖7 飛行控制器的軟件流程圖

本文所設(shè)計(jì)的飛行器能完成幾種基本的姿態(tài)控制，并能負(fù)載攝像頭進(jìn)行航拍，如圖8所示，在風(fēng)速4～5級(jí)、相對(duì)濕度70%的環(huán)境下進(jìn)行航拍，所得航拍圖片表明，飛行器在空中能進(jìn)行穩(wěn)定的航拍，抖動(dòng)小，抗干擾能力強(qiáng)。

圖8 航拍圖片

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的四旋翼飛行器，它的高性能、低功耗、處理速度快等特點(diǎn)克服了以往使用單片機(jī)作為控制器的缺點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)合理，基本能完成飛行器各種姿態(tài)的控制;同時(shí)，它也為后續(xù)的研究提供了一個(gè)平臺(tái)，可以在這基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)建模、姿態(tài)解算、濾波算法等方面作進(jìn)一步的研究。

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