基于STM32微型四旋翼“飛行器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張鵬　王彬

摘要：因?yàn)樗男盹w行器本身具備結(jié)構(gòu)合理、體積輕盈小巧、質(zhì)量輕等多種優(yōu)點(diǎn)，使得四旋翼飛行器得到了廣泛的應(yīng)用。因此，文中就是基于意法半導(dǎo)體的STM32系列單片機(jī)作為控制核心對(duì)微型四旋翼飛行進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器;STM32控制器;PID算法

中圖分類號(hào)：V22;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6487（2019）02-0057-02

0引言

隨著信息技術(shù)、科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，于STM32微型四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用逐漸增多。文章就是應(yīng)用了基于STM32微型四旋翼飛行器的研究方法，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的微型四旋翼飛行器設(shè)計(jì)，并進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，證明該設(shè)計(jì)中的微型四旋翼飛行器的飛行狀態(tài)比較平穩(wěn)，能夠較好的完成飛行任務(wù)，值得進(jìn)一步研究。

1基于STM32微型四旋翼飛行器的硬件設(shè)計(jì)

1.1主控模塊設(shè)計(jì)

在對(duì)成本、性能進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，基于STM32微型四旋翼飛行器在其主控模塊設(shè)計(jì)中使用的都是意法半導(dǎo)體公司的增強(qiáng)型高速單片機(jī)STM32F103。因?yàn)镾TM32F103的內(nèi)核架構(gòu)是ARM32位的CortexM-M3，因此在實(shí)際的操作中，處于穩(wěn)定工作狀態(tài)下，其工作頻率基本保持在72MHz。該主控模塊最顯著的特點(diǎn)就是資源豐富、時(shí)鐘高速、指令精簡(jiǎn)的微型處理器，可以較好的滿足基于STM32微型四旋翼飛行器的基本操作叫。

1.2飛控板電路設(shè)計(jì)

在本次基于STM32微型四旋翼飛行器設(shè)計(jì)中，其中設(shè)計(jì)的核心是MPU6050角速度傳感器、NRF2401無(wú)線模塊、～飛控板電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊。在飛控模板中應(yīng)用MPU6050，是為了實(shí)現(xiàn)其對(duì)飛控系統(tǒng)慣性測(cè)量單元的測(cè)量傳感器的作用，及時(shí)傳輸信號(hào)。MPU6050角速.度傳感器的驅(qū)動(dòng)方式則選擇了IIC接口，在STM32的PB10端口連接時(shí)鐘引腳SCL，在STM32的PB11端口連接數(shù)據(jù)引腳，在STM32的PB5端口連接數(shù)據(jù)中斷引腳，其中ADO做接地處理，其他各引腳做懸空處理。飛控電路板內(nèi)的每個(gè)引腳都加入10k的上拉電阻，這樣可以保證飛行器有比較充足的驅(qū)動(dòng)力，滿足四旋翼飛行器飛行成功，其原理具體如圖1所示。

在飛控板設(shè)計(jì)中，本次飛行器設(shè)計(jì)中其動(dòng)力雙系統(tǒng)是由四個(gè)十字交叉且呈對(duì)稱分布的高速空心杯構(gòu)成的，從而保證飛控板作業(yè)。通過(guò)應(yīng)用N溝道來(lái)使電控板中的型場(chǎng)效應(yīng)晶體增強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電控板的驅(qū)動(dòng)開關(guān)部分的管控。在飛控板的設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行調(diào)整，可以通過(guò)修改、調(diào)整STM32引腳上的PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。在整個(gè)電機(jī)運(yùn)行中通過(guò)設(shè)置控制開關(guān)MOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，對(duì)飛行器中4個(gè)電機(jī)的控制則是通過(guò)STM32定時(shí)器2中的四個(gè)通道的PWM控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

1.3遙控板電路設(shè)計(jì)

在本次基于STM32的四旋翼飛行器的遙控板控制電路設(shè)計(jì)中無(wú)線收發(fā)通信模塊應(yīng)用SPI總線與2.4GHZ，將其與控板自帶的8位并行口與OLED顯示屏通信進(jìn)行連接，在遙感和電池電量采集方面則是通過(guò)應(yīng)用ADC輸入引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)的。”飛控板通過(guò)控制與遙控電路中相對(duì)應(yīng)的引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)遙控板電路設(shè)計(jì)的語(yǔ)音模塊控制功能，對(duì)飛行器的飛行狀態(tài)與飛行中發(fā)生的故障進(jìn)行語(yǔ)音提醒，從而能夠?yàn)楹褪褂谜咛峁└尤?、?yōu)質(zhì)的服務(wù)。在遙控板電路設(shè)計(jì)中其設(shè)計(jì)核心就是通過(guò)萬(wàn)象控制桿實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集與識(shí)別，通過(guò)應(yīng)用NRF2401無(wú)線模塊，從實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的收、發(fā)，并設(shè)置了語(yǔ)音提示模塊。通過(guò)在遙控電板設(shè)計(jì)中為進(jìn)行遙感模擬實(shí)驗(yàn)，分別應(yīng)用了STM32單片機(jī)ADC的通道4、通道5、通道6和通道7，將其中采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并通過(guò)在其遙控電板中接入PWM1、PWM2、PWM3和PWM4引腳，可以削減加入濾波電容時(shí)雜質(zhì)信號(hào)對(duì)飛行器飛行軌跡、飛行狀態(tài)的影響。

2四軸飛行器的軟件設(shè)計(jì)

2.1飛控板的軟件設(shè)計(jì)

在本次基于STM32的四旋翼飛行器的飛控板軟件設(shè)計(jì)中，主要包含了以下功能：數(shù)據(jù)采集、無(wú)線模塊、MUP6050姿態(tài)檢測(cè)模塊以及PWM空心杯電機(jī)的自檢以與初始化等多個(gè)模塊構(gòu)成，這樣就可以較好的滿足本次飛控板軟件設(shè)計(jì)中對(duì)IMU零偏處理，并對(duì)飛控板中的2.4GHZ頻率及時(shí)進(jìn)行校對(duì)?；赟TM32的四旋翼飛行器的飛控板系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的實(shí)際操作反應(yīng)流程為：首先，開機(jī)后保證系統(tǒng)上電，系統(tǒng)進(jìn)入自檢狀態(tài)，如系統(tǒng)位通過(guò)自檢則系統(tǒng)發(fā)出警報(bào);其次，在自檢通過(guò)中，將系統(tǒng)中多傳感器數(shù)據(jù)融合算法所得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與匯編;最后，啟用系統(tǒng)中的PID控制子程序與多級(jí)濾波算法實(shí)現(xiàn)飛控板的控制。在以上操作結(jié)束之后進(jìn)入到飛控板設(shè)計(jì)的循環(huán)操作中[2]。

通過(guò)核心傳感器MPU6050的驅(qū)動(dòng)總線的IIC方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器姿態(tài)采集與控制，在本次基于STM32的四旋翼飛行器的飛控板軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)用了PB10和PB11來(lái)對(duì)該驅(qū)動(dòng)總線的IIC方式進(jìn)行模擬，這樣可以使本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加方便。通過(guò)讀取的加速度與角速度的值來(lái)實(shí)現(xiàn)飛控板姿態(tài)處理流程設(shè)計(jì)，再通過(guò)調(diào)用姿態(tài)解算的子模式，來(lái)獲取姿態(tài)解算結(jié)果。

2.2遙控板的軟件設(shè)計(jì)

在本次基于STM32的四旋翼飛行器的遙控板系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，為了能夠滿足地面控制人員和飛行器的機(jī)載設(shè)備之間無(wú)線通信的雙向性溝通，這樣就能夠通過(guò)0LED顯示屏將飛行器飛行信息、出現(xiàn)的故障信息以及其他必要信息進(jìn)行顯示。在本次設(shè)計(jì)中，基于經(jīng)濟(jì)性原則，選擇了STM32中ADC的DAM通道，該遙控板的軟件設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)更好的控制～飛行器飛行運(yùn)動(dòng)?；赟TM32的四旋翼飛行器的遙控板系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的實(shí)際操作反應(yīng)流程為：首先，系統(tǒng)自檢，各個(gè)模塊進(jìn)入初始化狀態(tài)系;其次，測(cè)試系統(tǒng)通信狀態(tài)后，通過(guò)SPI總線除數(shù)與之對(duì)應(yīng)的ADC數(shù)據(jù);最后，在液晶顯示屏中的顯示相關(guān)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)生變化也會(huì)及時(shí)的更新數(shù)據(jù)。

3系統(tǒng)調(diào)試與飛行測(cè)試

雖然可以通過(guò)系統(tǒng)模型來(lái)對(duì)飛行器的飛行情況進(jìn)行模擬，但是這并不能完全展現(xiàn)飛行器的飛行情況，通過(guò)理論模型推理獲得的數(shù)據(jù)與實(shí)際飛行中還是存在一定差異的，甚至有部分?jǐn)?shù)據(jù)與參數(shù)會(huì)存在差異。因此，要想保證基于STM32的四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)的合理性，實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的飛效果還是要做好系統(tǒng)調(diào)試與飛行測(cè)試。

首先，本次設(shè)計(jì)中的基于STM32的四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)的電池電壓為11.3V，如果低于11.3V時(shí)，就很有可能導(dǎo)致電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電壓到不到標(biāo)準(zhǔn)，飛行器無(wú)法正常飛行，因此可以在電池上安裝電壓警報(bào)設(shè)備，并將報(bào)警電壓設(shè)置為11.3V，如果低于該設(shè)定制就要及時(shí)報(bào)警，提醒使用者及時(shí)充電，保證飛行器的飛行效果。

其次，還要做好PID控制參數(shù)的設(shè)置。可以通過(guò)MPU一6050將傳回主控芯片的姿態(tài)數(shù)據(jù)與PID算法結(jié)合起來(lái)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基于STM32的四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)進(jìn)行控制。如果顯示為error，則表示該飛行器的姿態(tài)角度與預(yù)設(shè)姿態(tài)角之間存在差異?？梢詫⒂?jì)算得到控制調(diào)整信號(hào)輸出給控制芯片編程PWM，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的飛行姿態(tài)角調(diào)整。

4結(jié)束語(yǔ)

總而言之，基于STM32的四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)其設(shè)計(jì)中的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及算法流程都進(jìn)行研究，從而保證基于STM32的四旋翼'飛行器能被設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

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