一種微型四軸飛行器設(shè)計(jì)

劉洋++楊潤豐

摘 要：伴隨著多旋翼飛行器技術(shù)的日益成熟，四軸飛行器因具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。該文旨在設(shè)計(jì)一種采用STM32芯片作為主控芯片，以運(yùn)動(dòng)傳感器MPU6050作為姿態(tài)傳感器，通過2.4G無線通信模塊與遙控板進(jìn)行通信，使用PID控制算法通過PWM方式驅(qū)動(dòng)空心杯電機(jī)實(shí)現(xiàn)遙控控制的微型四軸飛行器。該飛行器采用一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，可以作為四軸飛行器的科普學(xué)習(xí)及STM32學(xué)習(xí)平臺。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器 STM32 MPU6050 飛行控制

中圖分類號：TH112 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）11（b）-0052-02

近年來，伴隨著無人技術(shù)的發(fā)展，多旋翼飛行器技術(shù)日益成熟，多旋翼飛行器不受起飛著陸場地限制，能垂直起降、空中懸停，能向任何一個(gè)方向靈活飛行等特點(diǎn)，使其被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。大疆等航拍飛行器的出現(xiàn)以及植保無人機(jī)的應(yīng)用更是將四軸飛行器技術(shù)帶入千家萬戶，越來越多的人接觸并應(yīng)用四軸飛行器。四軸飛行器技術(shù)的快速發(fā)展及應(yīng)用普及，使得無人飛行器飛手及維修維護(hù)人員的匱乏問題日益顯現(xiàn)。該文提出了一種微型四軸飛行器設(shè)計(jì)方案，該微型四軸飛行器采用STM32芯片作為主控芯片，以運(yùn)動(dòng)傳感器MPU6050作為姿態(tài)傳感器采集飛行器狀態(tài)信息，并通過2.4G無線通信模塊與遙控板進(jìn)行通信，飛行器結(jié)合飛行狀態(tài)信息及接收的遙控信號，使用PID控制算法通過PWM方式驅(qū)動(dòng)空心杯電機(jī)實(shí)現(xiàn)遙控控制。通過該微型四軸飛行器的設(shè)計(jì)制作，可以深入了解四軸飛行器的飛行控制原理，為四軸飛行器的應(yīng)用與開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 四軸飛行器的結(jié)構(gòu)與原理

四軸飛行器屬于多旋翼飛行器，與直升機(jī)不同，它由4個(gè)旋翼組成，而且4個(gè)旋翼都是電機(jī)直連的簡單機(jī)構(gòu)，通過控制這4個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，來實(shí)現(xiàn)飛行器的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

如圖1，四軸飛行器主要包括：旋翼部分、飛行控制部分及機(jī)身3部分，其中旋翼固定在機(jī)架的4個(gè)軸的末端，為整個(gè)飛行器提供動(dòng)力，它包括螺旋槳（正、反槳）、電機(jī)以及一些固定部件；飛行控制部分固定在機(jī)架的中心，用于飛行器姿態(tài)信息的處理及姿態(tài)控制，其中包括主控模塊、遙控接收模塊、傳感器模塊等；機(jī)架是飛行器的基礎(chǔ)平臺，旋翼模塊、飛行控制模、電源等都要安裝在機(jī)架上面。機(jī)架的大小直接決定了飛行器的大小，作為微型四軸飛行器，為了減小飛行器的體積及重量，一般采用一體化設(shè)計(jì)。

2 硬件設(shè)計(jì)

四軸飛行器通過改變其4個(gè)螺旋槳的拉力的大小及方向可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退等簡單動(dòng)作，要想實(shí)現(xiàn)飛行器的穩(wěn)定多姿態(tài)控制，則需通過姿態(tài)傳感器獲取信息，經(jīng)主控制器進(jìn)一步運(yùn)算處理實(shí)現(xiàn)?；谝陨显O(shè)計(jì)思路，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

如圖2所示，該控制系統(tǒng)主要包括STM32主控制器、電源模塊、空心杯電機(jī)、通信模塊及傳感器模塊5部分。

2.1 主控電路

主控制器，作為四軸飛行控制系統(tǒng)的核心，主要功能是接收遙控控制信號，將當(dāng)前飛行姿態(tài)信息與目標(biāo)姿態(tài)信息進(jìn)行比較，通過控制算法，計(jì)算出各電機(jī)PWM脈沖占空比值輸出至電機(jī)，實(shí)現(xiàn)飛行控制?？紤]到STM32學(xué)習(xí)的方便，該設(shè)計(jì)選用STM32F103作為主控芯片，最小系統(tǒng)電路如圖3所示[3]。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊選用MPU6050傳感器作為姿態(tài)傳感器，用于測量飛行器的空間加速度與角速度信息，測量數(shù)據(jù)經(jīng)主控制器預(yù)算后，通過PWM控制各電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。

2.3 通信模塊

要實(shí)現(xiàn)四軸飛行器的飛行遠(yuǎn)程控制，需要四軸飛行器和遙控端進(jìn)行無線通信，考慮成本及設(shè)計(jì)的簡化，該設(shè)計(jì)采用NRF24L01作為無線通信模塊，設(shè)計(jì)制作四軸飛行器遙控終端。

2.4 電源模塊

電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電，該設(shè)計(jì)的電源模塊采用較為輕便的5 V小型鋰電池作為電源，經(jīng)LM1117-3.3V穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)微控制器、無線通訊模塊、傳感器模塊的供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)作為四軸飛行器設(shè)計(jì)的重要組成部分，直接影響到飛行器飛行控制的穩(wěn)定與可靠。四軸飛行器的軟件設(shè)計(jì)主要由STM32主控制器的程序設(shè)計(jì)及遙控終端的程序設(shè)計(jì)兩部分組成。

STM32主控制器主要功能是接收無線信號、處理傳感器信息及控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，其處理流程首先是初始化無線通信模塊、傳感器模塊和電機(jī)，然后獲取姿態(tài)信息并對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，隨后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)等待解鎖控制信號的傳入。主控制器采用定時(shí)器中斷的方式，在中斷中進(jìn)行對時(shí)間的處理，每次中斷計(jì)次標(biāo)志就會(huì)自增，根據(jù)不同的中斷積累分別處理優(yōu)先級不同的任務(wù)。主控制器工作時(shí)每0.5 ms中斷一次，每次中斷都會(huì)檢查一次無線模塊數(shù)據(jù)的接收，確保飛控系統(tǒng)控制信息的實(shí)時(shí)性；每兩次中斷讀取一次傳感器模塊數(shù)據(jù)，獲取的數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波算法獲得較為準(zhǔn)確的飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)；每4次中斷（即2 ms）通過濾波算法獲取的姿態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算四軸飛行器的姿態(tài)，然后結(jié)合遙控終端的目標(biāo)姿態(tài)，根據(jù)兩者的差值通過PID控制算法計(jì)算出各電機(jī)PWM值，對各個(gè)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制[1]。

該設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的遙控器，主要用于飛行器的簡單控制，遙控板將操作人員的操作動(dòng)作轉(zhuǎn)化成信號傳給飛行控制板，實(shí)現(xiàn)飛行器的遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié)語

該文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種微型四軸飛行器系統(tǒng)，該四軸飛行器采用STM32芯片作為控制芯片，以運(yùn)動(dòng)傳感器MPU6050作為姿態(tài)采集傳感器，通過2.4G無線模塊與遙控終端通信，并通過PID控制算法得出電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)值來實(shí)現(xiàn)飛行控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可用于初學(xué)者及愛好者入門體驗(yàn)學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)

[1]常國權(quán)，戴國強(qiáng).基于STM32的四軸飛行器飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015（2）：29-32.

[2]鮑凱.玩轉(zhuǎn)四軸飛行器[M].北京：清華大學(xué)出社，2015.

[3]劉軍.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.