基于 STM32 四旋翼飛行器的設計

李尚松　李瑋

【摘 要】四旋翼飛行器是一種新型無人飛行器，其結構簡單，飛行穩定性強，具有很強的實用價值。基于其上述特性，提出一種以STM32單片機為核心的四旋翼飛行器的設計，其中具體各元件的作用與選擇將分別從主控單元、IMU模塊、電機驅動模塊、無線通訊模塊及電源模塊進行闡述。

【關鍵詞】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，非常適合靜態和準靜態條件下飛行，所以它在軍事和民用領域有廣闊的應用。

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模式的結構如圖1所示。在四個旋翼的頂端，均勻分布著四個電機，其中同一條直線上的電機旋轉方向相同。即：電機1，3按照逆時針方向旋轉，電機2，4按照順時針方向旋轉。在空間中，四旋翼飛行器一共具有6個自由度（分別沿著X，Y，Z三軸平移和旋轉），規定沿著Z軸正向運動為垂直運動，則其他的五個自由度分別為俯仰運動、偏航運動、滾轉運動、前后運動、側向運動，通過控制4個電機的旋轉速度即可控制這六個自由度[1]。

2硬件設計

硬件設計是整個四旋翼飛行器的基礎，良好的硬件設計是后續一切工作得以順利進行的保證。其設計總體框圖如圖2所示，主要包括主控單元、IMU模塊、電機驅動模塊、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、轉換、融合傳感器數據，計算飛行器的姿態信息、高度信息、位置信息，從而實現對四旋翼飛行器的控制。

2.2 IMU模塊

IMU模塊是整個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，然后計算出飛行器的飛行姿態。

2.3電機驅動模塊

電機是四旋翼飛行器的執行機構。它能夠將飛行控制器的輸出轉換為旋翼的轉速，并通過改變各旋翼的升力與反扭矩來調節飛行姿態。

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程監控，是飛行器和地面控制中心連接的橋梁。其設計包括無線遙控器和工作在2.4GHz頻段的NRF24L01無線數據通信模塊。

3系統組成

系統微處理器采用STM32芯片，該芯片通過讀取MPU6050采集的數據，來確定飛行器所處的狀態，進行相應的數據處理，從而進一步控制飛行器的運行軌跡[3]。

4結束語

本文設計了一種基于STM32的四旋翼飛行器，它的高性能、低功耗、處理速度快等特點克服了以往使用單片機作為控制器的缺點，同時，它也為后續的研究提供了一個平臺，可以在這基礎上對系統建模、姿態解算、濾波算法等方面作進一步的研究[4]。

參考文獻：

[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研究[J].機械科學與技術，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計與實現田.四川理工學院學報（自然科學版），2014，27（3）：42-45.

[3]金薇.基于STM32的四軸飛行器的研究與設計[J].山西電子技術，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計[J].實驗室研究與探索，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：機械制造及其自動化。

通訊作者：

李瑋，教授，碩士生導師，從事機電一體化研究。

基金項目：西南林業大學科技創新基金（K16008）endprint