基于 STM32 四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)

李尚松　李瑋

【摘 要】四旋翼飛行器是一種新型無人飛行器，其結(jié)構(gòu)簡單，飛行穩(wěn)定性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值?；谄渖鲜鎏匦?，提出一種以STM32單片機(jī)為核心的四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)，其中具體各元件的作用與選擇將分別從主控單元、IMU模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、無線通訊模塊及電源模塊進(jìn)行闡述。

【關(guān)鍵詞】四旋翼飛行器；STM32

0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。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。

1四旋翼飛行器的原理

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)動為垂直運(yùn)動，則其他的五個(gè)自由度分別為俯仰運(yùn)動、偏航運(yùn)動、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動、前后運(yùn)動、側(cè)向運(yùn)動，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[1]。

2硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)四旋翼飛行器的基礎(chǔ)，良好的硬件設(shè)計(jì)是后續(xù)一切工作得以順利進(jìn)行的保證。其設(shè)計(jì)總體框圖如圖2所示，主要包括主控單元、IMU模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、無線通訊模塊及電源模塊[2]

2.1主控單元

主控單元是整個(gè)飛行器的核心，而微控制器更是主控模塊的核心。通過微控制器采集、轉(zhuǎn)換、融合傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算飛行器的姿態(tài)信息、高度信息、位置信息，從而實(shí)現(xiàn)對四旋翼飛行器的控制。

2.2 IMU模塊

IMU模塊是整個(gè)飛行器不可或缺的一部分。通過由陀螺儀傳感器、加速度傳感器、電子羅盤組成的IMU傳感器測量出飛行器的加速度與角速度，然后計(jì)算出飛行器的飛行姿態(tài)。

2.3電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)是四旋翼飛行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它能夠?qū)w行控制器的輸出轉(zhuǎn)換為旋翼的轉(zhuǎn)速，并通過改變各旋翼的升力與反扭矩來調(diào)節(jié)飛行姿態(tài)。

2.4無線通信模塊

無線通訊模塊，主要用于四旋翼飛行器的遠(yuǎn)程監(jiān)控，是飛行器和地面控制中心連接的橋梁。其設(shè)計(jì)包括無線遙控器和工作在2.4GHz頻段的NRF24L01無線數(shù)據(jù)通信模塊。

3系統(tǒng)組成

系統(tǒng)微處理器采用STM32芯片，該芯片通過讀取MPU6050采集的數(shù)據(jù)，來確定飛行器所處的狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，從而進(jìn)一步控制飛行器的運(yùn)行軌跡[3]。

4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)，同時(shí)，它也為后續(xù)的研究提供了一個(gè)平臺，可以在這基礎(chǔ)上對系統(tǒng)建模、姿態(tài)解算、濾波算法等方面作進(jìn)一步的研究[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯永鋒，陸連山，高尚德，等.基于PD算法的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012，31（3）：359-362.

[2]謝義建，陳躍東，舒圣眾.基于STM32的四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)田.四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，27（3）：42-45.

[3]金薇.基于STM32的四軸飛行器的研究與設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù)，2016，（O1）：92-93.

[4]符長友，蔡洪斌，李行，等.基于WiFi的微型四旋翼飛行器設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016， 35 （10）：117-120，154

作者簡介：

李尚松（1992～ ），男，貴州省遵義市人，碩士研究生，研究方向：機(jī)械制造及其自動化。

通訊作者：

李瑋，教授，碩士生導(dǎo)師，從事機(jī)電一體化研究。

基金項(xiàng)目：西南林業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金（K16008）endprint