基于STM32的小型四旋翼飛控系統的研究與設計

高禮偉 朱小剛 陶波

摘 要：本文以STM32F4為飛控系統的核心，圍繞傳感器接口和數據采集、PWM電機控制等進行硬件、軟件設計。

關鍵詞：無人機；飛行控制系統；STM32；PID控制

中圖分類號：V249.2；TN61-34

小型四旋翼無人機（簡稱無人機）因機動靈活、費效比高、維護方便、機動性能好等特點而被廣泛應用在軍事、工業、農業等領域。近年來嵌入式芯片高速發展，性能越發強大，為設計無人機飛行系統（簡稱飛控）提供方便。

1 四旋翼飛行器控制原理

小型四旋翼無人機的機械結構一般是“十”字模式，如圖1所示。飛行時通過控制4個電機加、減速旋轉，使飛行器完成起飛、降落、旋轉等動作。

圖2為飛控的典型閉環反饋控制系統。通過各傳感器獲得姿態等數據，若姿態和或位置信息偏離指令值時，控制器根據PID算法輸出相應的控制量，執行機構根據控制量做出相應的動作，使無人機按照預先設定的航點信息準確飛行。

2 飛行器控制系統硬件設計

因無人機自身速度快、位置精度高，對所搭載傳感器的精確性、實時性也要求較高，這才能滿足飛行控制的數據采集、解算、控制通信等任務。系統以STM32F429為核心，搭載9軸傳感器、氣壓計、GPS模塊、數傳電臺等傳感設備[ 1 ]。系統框圖見圖3。

2.1 STM32F4處理核心

ST公司Cortex-M4內核的STM32F439嵌入式ARM芯片，支持浮點數運算、低電壓運行其性能表見表1。

2.2 9軸傳感器接口

BNO055是9軸傳感器：3軸14位的加速度計、磁強計、3軸16位的陀螺儀，輸出四元數、歐拉角、旋轉向量、線性加速等姿態信息，且支持I2C、UART等數字接口[ 2 ]。圖4為傳感器與STM32F429的I2C接口電路。

2.3 GPS模塊接口

系統采用NEO-6M GPS模塊測量速度、緯度、經度、高度等導航數據，其定位速度快、度高、支持修改通信協議的數據格式。模塊自帶MAX232標準的串口電平接口， 圖5為與的STM32F429的串口接口電路。

2.4 數字氣壓計接口

數字式氣壓計BMP085獲取大氣壓力數據和高度數據，結合GPS數據可得到精確的高度和速度數據。壓力測量絕對精度達0.03hPa，可以通過I2C總線直接與處理器相連，如圖6。

2.5 數傳電臺接口

采用Xtend900M電臺實現無人機與地面的數據通信，其抗干擾性好，通信距離遠，穩定性好，頻率范圍 902MHz～928MHz。Xtend與STM32F439為串口連接。

2.6 其他接口

為擴展需求，系統預留了豐富的接口，其中 PWM 輸出接口除了控制量輸出外，還可以為如云臺、傘倉等任務設備使用；SPI、I2C 接口可以用來擴展外接高精度慣性導航器件等；

3 飛行器控制系統軟件設計

系統的軟件設計采用IAR7.2嵌入式集成開發環境開發，該環境支持嵌入式C編譯器，且支持J-link硬件仿真的實時在線調試。飛行器在飛行過程中控制飛行器角速度的增量，故采用PID的增量算法整體程序方法如公式1。

式中：un為第n個采樣時刻的控制；KP為比例放大系數；T 為采樣周期。

軟件模塊化設計包括傳感器數據的讀取及姿態解算、PID控制、PWM 信號捕獲以及控制電機的PWM波形輸出等。根據飛控的控制要求，設計了如圖7的軟件主流程圖。

4 系統調試與結論

根據系統的軟硬件設計，完成了四旋翼飛行器硬件制作與調試，并進行程序編寫、下載調試。調試表明四旋翼飛行控制系統設計合理，飛行靈活、穩定。

參考文獻：

[1] 楊磊.基于STM32的小型無人機飛行控制系統設計[D].哈爾濱：東北農業大學，2016.

[2] 王東平.基于嵌入式的四軸飛行器控制系統研究與設計[D].泉州：華僑大學，2013.

基金項目：江蘇省大學生創新創業訓練計劃

項目編號：201613114011Y