四軸飛行器自動巡航系統

西安工業大學 樊佳瑞 胡心蕊 李 楊 陳涇源

四軸飛行器自動巡航系統

西安工業大學 樊佳瑞 胡心蕊 李 楊 陳涇源

本項目主要研究飛行器自主巡航系統，裝載此系統后的模型直升機、四軸飛行器、多軸飛行器將會擁有空間定位、低空巡航等功能。它由STM32F407主控模塊、GPS模塊、氣壓計模塊和磁力傳感器模塊構成。主控模塊將從GPS模 塊獲得無人機當前坐標信息，從氣壓計模塊得到當前的飛行高度，從磁力傳感器模塊獲得飛行器的實際角度，最后通過算法最終控制飛行器飛到目標空域，實現自動巡航。

STM32F407單片機；GPS；氣壓計；磁力傳感器；無線電遙控

0.引言

四軸飛行器也稱四旋翼直升機，通過電力驅動，遙控指揮其飛行的一種飛行器。四個螺旋槳對稱分布在機體的前后左右，并且處于同一高度平面。四個螺旋槳形狀大小相同，四個電機位于飛行器的支架末端，支架中間位置可安放電池，控制器及其他設備。四旋翼飛行器可實現垂直，俯仰，滾轉，偏航，前后及側向運動，與常規飛行器相比，結構更加穩定，能獲得比普通飛行器更大的上升力，便于控制，工作效率大大提高。具有自動巡航的四旋翼飛行器在軍事和生活方面應用廣泛，例如無人機偵察、制導、空中打擊、自動化武器、航拍航測、高壓線巡航、治安防爆、地質勘探、林業部門防火、搶險救災、國土資源管理、生態環境保護、城鎮規劃與市政管理等。

1.系統總體方案設計

整個系統由PC機、航模遙控器、和四軸飛行器組成。研究人員通過PC機上的地面站軟件規劃巡航路線，并將巡航路徑數據下載到自主巡航控制模塊。飛行器在巡航過程中遇到難以處置問題時，可以切換到遙控模式以免發生危險。四軸飛行器使用11.1V的鋰電池進行供電，從GPS模塊和氣壓計模塊得到飛行器的具體坐標及飛行高度，通過3DR模塊進行數據的傳輸,保證了飛行器穩定的數據傳輸，并將數據顯示在PC機上的地面站監控軟件上，這樣便可實現了人機交互的時效性和準確性。四軸飛行器的控制系統由STM32F407主控模塊、GPS模塊、氣壓計模塊、磁力傳感器模塊、控制選擇器和APM飛控構成，主控模塊將從GPS模塊、氣壓計模塊和磁力傳感器模塊獲得無人機當前坐標信息，然后通過控制算法將控制信號傳遞到APM飛控，最終實現飛行器的自主巡航。

以下是功能框架圖：

圖1 系統原理框圖

2.系統的硬件設計

2.1 自動飛控系統

自主飛控系統功能是在無人操控的狀態下，控制飛行器在預設的坐標點之間巡航。要完成這個功能就需要多個模塊的互相配合，才能完成給定的任務。系統采用高精度GPS模塊通過串口獲取經緯度數據，在巡航過程中系統需要不斷調整飛行姿態，所以利用氣壓計采集飛行器的飛行高度，用磁力傳感器獲得飛行器的偏航角，這兩個模塊都是采用I2C驅動程序與主控芯片進行通信，以下是自動飛控系統的硬件框圖：

圖2 系統硬件框圖

2.2 STM32F407主控模塊

因為控制芯要計算偏航角并進行PID控制，所以對主控芯片的運行速度要求比較高，通過查詢資料最終選擇STM32F407為主控芯片。STM32F407系列基于最新的ARM Cortex M4內核，在現有出色的STM32微控制器產品組合中新增了信號處理功能，并提高了運行速度；STM32F405x集成了定時器、3個ADC、2個DAC、串行接口、外存接口、實時時鐘、CRC計算單元和模擬真隨機數發生器在內的整套先進外設。

圖3 選擇控制器硬件電路

圖4 GPS模塊硬件電路

2.3 控制選擇器

控制選擇器由CD4053芯片、主控模塊以及必須元器件構成。遙控器產生開關信號，通過接收機產生PWM信號并傳輸到主控模塊，單片機對PWM信號進行檢測。通過對PWM信號高電平的檢測，得到PWM信號的占空比。當占空比大于0.90時單片機輸出高電平，選通CD4053芯片的x通道關閉y通道，從而實現STM32F407核心控制器對四軸飛行器的控制；當占空比小于0.5時單片機輸出低電平，選通CD4053芯片的y通道關閉x通道，從而實現遙控器對四軸飛行器的控制（見圖3）。

2.4 GPS模塊

四軸飛行器實現自主巡航需要高精度的GPS模塊提供經緯度數據，在考察了市面上的定位芯片后，我們選用的是NEO-7M GPS模塊，它是一個低功耗主芯片的超小外型GPS接收模組，該產品采用了新一代U-blox芯片，超高靈敏度，具備全方位功能，能滿足專業定位的嚴格要求，串口輸出數據用戶使用方便，而且成本較低（見圖4）。

2.5 氣壓計模塊

氣壓計模塊用來測量飛行器的高度，我們選用的是MS5611-o1BA氣壓傳感器，它是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和I2C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達到10cm，該傳感器模塊包括一個高線性度的壓力傳感器和一個超低功耗的24位Σ模數轉換器，具有高穩定性以及非常低的壓力信號滯后。

圖5 氣壓計硬件電路

圖6

3.系統的軟件設計

3.1 偏航角計算理論方法

如圖6所示以A點為參考點計算B點的方位角，假設A點經緯度坐標為(Aw,Aj) , B點經緯度坐標為(Bw,Bj)。A,B,C表示球面上的三個點及球面上“弧線”在該點處所夾的角。a,b,c表示A,B,C三點的對“弧”兩端點與地心連線所夾的角。

首先使用三面角余弦公式：

將兩點的經緯度數據帶入得：

由三角函數得：

地球近似一個球體，所以采用用球面正弦公式：

將已知條件帶入化簡得：

即得偏航角：

3.2 STM32軟件流程圖

智能控制系統的軟件是整個系統中最重要的部分，也是最難的部分。系統在接受到地面站發送的坐標信息后進行存儲，并用方向余弦算法計算出當前位置到目標點的偏航角，自動巡航控制器將控制四軸飛行器起飛，不斷調整四軸飛行器的飛行高度和偏航角，當飛行器的飛行高度達到預設值高度，實際偏航角等于計算的理論值時，飛行器開始飛向目標航點，在飛向目標航點的過程中，控制器將會不斷執行上述過程調整飛行器姿態，這樣即使在有風力干擾時飛行器也會自行修正航向，大大提高了自主巡航系統的抗干擾性。以下是系統的軟件流程圖：

圖7 STM32F407軟件流程圖

4.測試結果

以下是我們對四軸飛行器自主巡航系統的測試結果：

目標航點坐標飛行器降落點坐標偏差量34.3841040 N 108.9831048 E 34.3841192 N 108.9831367 E 1.2m 34.3853099 N 108.9837671 E 34.3853461 N 108.9837326 E 0.9m 34.3852763 N 108.9831795 E 34.3852895 N 108.9831467 E 1.4m 34.3841509 N 108.9836924 E 34.3841316 N 108.9836593 E 1.0m 34.3846871 N 108.9834092 E 34.3846612 N 108.9834398 E 0.8m

5.總結

本文說明了四軸飛行器自主巡航系統的軟硬件實現方案。運用模塊化的硬件電路設計方式，使得本系統具有出色的再開發性和外擴性。選用STM32F407為主控制器，具有高效的計算能力及多個外設接口，為四軸提供了一個強大的大腦，羅盤HMC588L，氣壓計MS5611，和NEO-7M GPS，保證飛行器穩定飛行；預設許多接口，以便再次開發與拓展。本文設計的四軸飛行器具有編程步驟容易、便利操縱，穩固性好、拓展性強等優勢。經過實驗，成功完成四軸飛行器固定高度下的自主巡航。

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樊佳瑞（1996—），男，甘肅寧縣人，西安工業大學電子信息工程學院本科在讀，主要從事嵌入式系統研究。