基于stm32的四軸飛行器的設計

付秀偉 付 莉

（吉林化工學院自動化系，吉林 132022）

四軸飛行器［1-2］的發展推動了經濟的發展，主要體現在農業、科技、安全、國防等領域，方便了人們控制，提高了經濟效益，也推動了我國國防事業的發展，是一件利國利民的事情。本設計中主要對其硬件進行設計，主要考慮到電源的影響，將電源分為不同的部分，分別對模塊進行控制，提高了抗干擾能力，利于系統的正常運行。

1 系統概述

系統方面主要采用現在性價比較高的stm32作為主控制器，高性能的MPU6050陀螺儀和無刷直流電機作為主要部分。stm32通過讀取陀螺儀MPU6050的姿態，來確定飛行器所處的狀態，進行數據處理，進一步控制飛行器的運行軌跡。四軸飛行器硬件部分主要包括電源部分，驅動部分，顯示部分和控制器部分，和陀螺儀等構成。系統構成如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 電源模塊

圖1 整體系統結構

由于四軸飛行器飛行過程中不可能有直流電源給其供電，因此選用鋰電池來供電，而鋰電池的電壓比較低，電流隨著運行時間長短變化比較大，采用鋰電池給電機直接供電不利于四軸飛行器的飛行，因此采用升壓芯片將其升壓到固定值。本設計采用LTC3200升壓模塊來實現。

2.1.1 LTC3200升壓模塊

LTC3200升壓模塊［3］是低噪聲，恒定頻率開關電容電壓倍增器，產生穩定的輸出電壓從2.7V到5.0V。升壓模塊在這里的作用是將電源鎖供給的3.7V電壓升大到5V。其原理圖如圖2所示。

圖2 LTC3200升壓模塊原理圖

圖3 第一個穩壓模塊原理圖

2.1.2 XC6206穩壓模塊

系統升壓到5V后只能對電機進行供電，而控制stm32所用的供電電壓為3.3V，因此需要將5V轉化成3.3V。本設計參與XC6206系列，它采用CMOS工藝，內部由基準電壓源、誤差發達器、驅動晶體管、限流電路等構成。通過采用CMOS工藝和激光微調技術，實現了低消耗電流和高精度。

該設計一共有兩個穩壓塊。第一部分穩壓塊將經過升壓塊輸出的5V電壓穩定在3.3V，然后接到STM32單片機的VCC端口，另一個穩壓模塊直接為MPU6050陀螺儀進行供電，兩個穩壓器都采用同一個芯片。原理圖如圖3所示。

2.2 STM32F103型單片機

STM32系列單片機是專門對要求高、成本低的嵌入式應運而生的。高達72MHz的頻率提高了很多應用場合，處理速度得到了大大的提高，特別是對四軸飛行器來說可以完美實現其功能。

3 軟件設計

四軸飛行器不僅僅得力于其硬件設計的先進性，軟件方面設計也至關重要，特別是系統設計流程［4］，設計一個合理、優化的控制軟件至關重要。該系統包括主控芯片初始化，各個外圍設備的驅動，通過傳感器采樣來獲取飛行器的姿態，通過PID控制算法，使得四軸飛行器穩定運行。系統軟件設計分為主程序設計與中斷程序設計。考慮到對傳感器進行數據采集，時間的長短影響到采集的效果，經過測試得知10ms的控制周期，每10ms進行一次傳感器采用，得到的數據比較穩定，有助于數據的采集。

主程序完成系統初始化，包括各設備初始化等工作，以及接收串口指令進行參數設定，其他工作流程如圖4所示。

本設計主要采用中斷來實現控制的，主要有定時器中斷，串口中斷，SPI中斷與遙控接收機輸入捕捉中斷。其中串口中斷，與SPI中斷用于數據通信，通過中斷函數將接收到的數據送入各自數據緩沖區等待處理。定時器中斷使用芯片的定時器完成10ms中斷，實現系統控制節拍。在定時器中斷函數中完成傳感器的采樣，姿態數據融合，控制器運算與控制輸出，數據通信等功能，其工作流程圖如圖5所示。

圖4 主程序流程圖

圖5 定時器中斷函數流程圖

4 結論

該設計有利于四軸飛行器的穩定運行，通過實驗驗證，得到了很好的發展，減少了電源對整個系統的影響，也通過加入多個電源部分，提高了系統的抗干擾能力，各個模塊間的影響程度得到了很大的提高。

［1］楊明志，王敏.四旋翼微型飛行器控制系統設計［J］.計算機測量與控制，2008，6（4）:485-490.

［2］周權，黃向華.四旋翼微型飛行平臺姿態穩定控制試驗研究［J］.傳感器與微系統，2009，28（5）:72-79.

［3］吳劍.碟形無人直升機總體設計技術研究［D］.南京:南京航空航天大學，2004.

［4］劉煥曄.小型四旋翼飛行器飛行控制系統研究與設計［D］.上海:上海交通大學，2011.