基于STM32的四旋翼飛行器飛行控制板設計

李朋軒++鄔松杉++郭麗麗++楊晴

摘 要：文章針對四旋翼飛行器，設計了一種基于STM32微控制器的飛行控制板。以ARM cortex-m4內核微處理器作為主控單元，對飛行控制板進行了模塊化設計，并給出了各模塊中芯片的選型依據(jù)。軟件設計采用濾波融合算法獲得四旋翼飛行器的姿態(tài)，除了基本的姿態(tài)檢測外，還添加了無線數(shù)據(jù)傳輸、高度測量的功能。通過ARHS軟件模擬出姿態(tài)融合后圖像，結果表明設計的飛行控制板解算的姿態(tài)誤差較小。

關鍵詞：四旋翼飛行器；飛行控制板；STM32；濾波融合算法；姿態(tài)控制

四旋翼飛行器是一種具有4個呈十字形交叉對稱的螺旋槳，能夠垂直升降的四旋翼直升機。它通過飛行控制板控制4個軸上的無刷電動機帶動螺旋槳以不同的速度和方向旋轉，從而實現(xiàn)其垂直、俯仰、偏航、滾轉、前后和側向6自由度的運動。由于這是一個4輸入6輸出的欠驅動系統(tǒng)，具有非線性、強耦合、多變量等特點，因此對控制器的要求較高[1]。

1 飛行器控制板的硬件選型與設計

飛行器控制板采用模塊化結構設計，主要由主控模塊、電源管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行機構驅動模塊、無線通信模塊。

1.1 主控模塊

主控模塊是飛行器控制板的核心模塊，它由高性能、低功耗的高級精簡指令集處理器ARM內核STM32F401芯片和其外圍電路組成單片機，通過接口接收其他模塊的數(shù)據(jù)和地面站的指令，并控制輸出電機驅動數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對飛行器姿態(tài)的調整。STM32F401芯片的架構非常先進，具有內置的浮點處理運算模塊以及自適應閃存程序執(zhí)行模塊，它的主頻經(jīng)過內置的鎖相環(huán)倍頻后可以高達84 MHz，不僅如此其還具有內存保護單元以及內置DSP運算指令。

1.2 電源管理模塊

電源管理模塊的作用是向各個模塊提供電能，由于各個模塊所需的電壓不盡相同，所以需要設計穩(wěn)壓電路[2]。本穩(wěn)壓模塊設計輸入電壓為12 V，輸出電壓為3.3 V，采用的F_XT-1WR2芯片作為控制單元。本芯片功率為1 W，輸出電流高達303 A，轉換效率高達72%，具有可持續(xù)短路保護、低紋波噪聲、隔離電壓高達3 000 V直流電、工作溫度低至-40 ℃、高達+105 ℃等特點，并且具有隔離非穩(wěn)壓單路輸出的功能。

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊作用是獲取飛行器的姿態(tài)和位置參數(shù)并將數(shù)據(jù)傳遞給主控電路予以處理。本數(shù)據(jù)采集模塊可分為3個子模塊，分別是加速度與角速度檢測模塊、地磁監(jiān)測模塊、氣壓檢測模塊。

1.3.1 加速度與角速度檢測子模塊

本子模塊采用了MPU6050芯片，該芯片是集加速度計與角速度計為一體的微型傳感器芯片。它使用了內置的16位模擬數(shù)字轉換器分別對測得角速度和加速度進行數(shù)字化。為了適用于不同的場合，傳感器的量程和精度都是可以設定的，量程越大會導致精度越小，反之亦然。

1.3.2 地磁檢測子模塊

本模塊采用HMC5883L芯片，該芯片是一款具有地磁傳感器的測量芯片，具有低功耗、精度高的特點，它具有先進的I2C通信接口，達到了400 bps的通訊速度，可在移動領域中弱磁測量方面廣泛使用。HMC5883L 右這幾部分構成：磁阻傳感器單元、放大器單元、自動消磁驅動器單元、偏差校準單元。這些單元協(xié)作工作能使羅盤精度偏差在1°～2°范圍之間。

1.3.3 氣壓檢測子模塊

四旋翼飛行器具有定高飛行的功能，則必須需要有相應的測量高度的傳感器進行檢測，在本設計中則使用了BMP180氣壓傳感器芯片來進行高度的測量。BMP180具有許多優(yōu)良特性，例如低功耗、測量精度高、易于使用等特點。它也采用了I2C接口與主控微控制單元（Micro Control Unit，MCU）進行通信，該芯片的I2C傳輸速率達到了400 kbps。

1.4 無線通信模塊

本模塊采用了NRF24L01芯片實現(xiàn)無線通信功能，該芯片所使用的頻率為2.4 GHz，具有優(yōu)良的通信速率以及距離，本設計除了使用NRF24L01之外還使用了開放式數(shù)控系統(tǒng)（Power Automation，PA）以及低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）這兩種芯片來擴大該無線模塊的發(fā)射功率，使其可在3 km距離內都可正常通信，其丟包率幾乎為0。NRF24L01芯片與主控芯片的通信通過SPI協(xié)議進行，串行外設接口（Serial Peripheral interface，SPI）協(xié)議速率極快，不會對MCU的性能產(chǎn)生影響。

1.5 執(zhí)行機構驅動模塊

本設計要求飛行器在最短的時間內回到平衡位置，這就要求飛行器的姿態(tài)控制能夠快速響應，即能夠快速地增大或減小電機轉速，所以選用了無刷電機，并配以無刷電調使用[3]。無刷電調采用了飛利浦公司開發(fā)的PCA9685芯片，可控制信號的周期和占空比，可實現(xiàn)多個模塊級聯(lián)。該芯片可控制輸出16路精度為12位的脈沖寬度調制信號，采用I2C通信協(xié)議，通信效率極高。

2 飛行器控制板的軟件設計

飛行控制板的軟件部分是采用C語言編制，主要完成硬件平臺初始化、解碼地面站信號并設置相關參數(shù)、讀取并解算飛行器的姿態(tài)信號，產(chǎn)生脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）方波實現(xiàn)電機控制等步驟，直到地面站發(fā)出結束信號結束程序。飛行器姿態(tài)控制的核心與關鍵在于姿態(tài)信號的獲取與解算，因而軟件上采用了快速融合和長期融合以及濾波算法獲取四旋翼飛行器的姿態(tài)[4]。

3 飛行器控制板的控制系統(tǒng)測試與分析

本系統(tǒng)使用串口協(xié)議通過Ahars開源上位機程序進行測試分析。設置使用1152 00 bps的波特率、8位數(shù)據(jù)位、無校驗以及1位停止位。打開軟件串口接收后將飛行控制板置于水平狀態(tài)，從數(shù)據(jù)可知除AZ滿量程外其余方向加速度約為零，且陀螺儀各方向速度約為零。軟件獲取的數(shù)據(jù)如圖1所示。

經(jīng)測試，本飛行控制板實現(xiàn)了姿態(tài)解算及姿態(tài)融合功能。

4 結語

本文設計了一種具有姿態(tài)解算及融合功能的飛行器控制板。該控制板的硬件系統(tǒng)采用模塊化結構，以嵌入式芯片STMF32F401為控制核心，通過C語言編程并用ARHS軟件進行了實驗測試。實驗表明該飛行控制板能快速執(zhí)行姿態(tài)解算，并能較準確地融合各項傳感器數(shù)據(jù)，通過分布式濾波融合算法較大程度地降低了系統(tǒng)的靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差，具有良好的性能。

[參考文獻]

[1]劉乾，孫志鋒.基于ARM的四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)[J].機電工程，2011（10）：1237-1240.

[2]謝義建，陳躍東，舒圣炎.基于STM32的四旋翼飛行器的設計與實現(xiàn)[J].四川理工學院學報（自然科學版），2014（3）：42-45.

[3]郭曉鴻，楊忠，楊成順，等.一種基于STM32的四旋翼飛行器控制器[J].應用科技，2011（7）：35-40.

[4]李偵，田夢君，趙菲菲.基于DSP的無人機飛行器飛行控制系統(tǒng)設計[J].微處理機，2010（4）：125-128.endprint