基于STM32的無人機精準空投控制裝置的設計

文/龍吉

近幾年無人機物流空運發展迅速，國內多家電商和物流公司已經開始研制適用于空運和物流的無人機并申請了航線和空域，短距離空運常使用旋翼無人機進行精確高可靠性的運輸，但是續航時間短，飛行半徑小，效率低下。雖然采用固定翼或者復合翼的無人機進行空運，具有續航時間長，飛行半徑大，載重量較大的優點，但是需要機場或者固定區域進行起降，所以目前國內外都將無人機物流和空投放到一起研究。空投貨物的優點在于不需要攜帶貨物降落，大大減少降落時的不確定因素，也增加續航時間。然而，空投受無人機空速、外界空氣密度變化、機尾流場等影響，空投的精確度不高。本文針對航空炸彈型空投箱為負載，以翼傘為控制對象，設計一種控制裝置，根據各種傳感器參數實時計算并預測期望值進行控制，實現精準空投。

1 控制裝置內部結構

由于控制裝置針對傳感器的參數做出預測，需要大量的運算工作，普通的微控制器運算壓力較大，本設計中采用意法半導體公司的STM32F407微控制器進行運算，主要運行卡爾曼濾波算法進行跟蹤預測。除了微控制器之外，還采用10軸帶溫度補償傳感器，及包含三軸加速度、三軸陀螺儀、三軸角度及氣壓傳感器，能夠輸出高精度的姿態，采用I2C通信。為了更好的控制空投精準的降落到目的坐標，設計采用翼傘代替傳統的圓傘，翼傘具有可控性好，滑翔性能強，無損著陸的優點。翼傘的牽引控制裝置安裝在空投箱兩側，靠兩個數字舵機進行控制。

1.1 GPS定位及無線數據傳輸裝置

無人機和空投箱都內置GPS定位模塊，在空投箱未脫離無人機時，GPS信息通過無線數據傳輸模塊傳回的信息來自于無人機的GPS定位模塊，當無人機到達空投目的地上空前進行空投，空投箱根據自身的GPS定位模塊與與空投目的地坐標對比，將輸出數據和傳感器參數傳入微控制器進行計算和預測。

1.2 翼傘及牽引裝置

采用翼傘的目的是相對于圓傘的不可控性增加可控性，翼傘的牽引控制主要是通過操控繩來控制的，在滑翔過程中更容易控制，容錯率高。牽引裝置安裝在空投箱兩側，通過兩個數字舵機和拉桿對操控繩進行控制空投箱向左向右移動，當兩個數字舵機同時拉下，在短時間內向前和向下的速度會降低到很小，這種情況適用于著陸瞬間做到無損著陸。

2 控制裝置硬件電路

基于STM32F407微控制器的控制核心，外圍傳感器電路采用10軸傳感器電路，考慮到高空溫度變化，電路帶有溫度補償。傳感器電路和微控制器通信采用I2C協議，降落傘彈射裝置和牽引裝置都是執行機構，由微控制器直接控制。

2.1 降落傘彈射裝置

為了保證開傘成功率和時效性，空投箱頂部帶有一個降落傘彈射裝置，裝置采用彈簧機構進行彈射，彈射距離2米，開傘時間不大于0.8秒，彈射裝置上蓋由一個數字舵機進行控制，當接收到彈射信號時，數字舵機觸發彈射機構，將上蓋打開，彈簧機構將降落傘彈出后打開。

2.2 供電電路

整個控制裝置是單獨自動控制的，需要內部穩定供電。供電電路采用800mAh/3S鋰電池供電，放電倍率30C，電壓在11.1-12.6V，持續放電電流在20A左右，最大瞬時放電電流在24A。控制裝置的待機電流在10mA-20mA左右，彈射和控制瞬間工作電流在600mA-1.5A左右，滿足多次空投供電需求。供電電路采用DC-DC大功率降壓電路，保證系統正常工作。

2.3 牽引裝置

由于數字舵機工作電流較大，大風環境時的工作電流瞬間高達1.5A以上，所以需要專門的驅動電路，本設計采用DC-DC開關電路，共地處理后接收PWM信號進行驅動控制，大大減少舵機工作時對控制核心供電的影響。牽引裝置的主要作用是連接到翼傘的操控繩上，當需要做向左和向右運動時，相應的舵機拉動拉桿使操控繩向下受力，從而改變滑翔方向。

3 控制裝置的軟件設計

控制裝置內部運行的算法主要的核心思想就是運動參數的輸入，和預計目標輸出的比對，然后預測進行輸出，控制系統根據自身的GPS傳回的信號和設置好目的地坐標進行比對，做出前進、向左、向右、盤旋的控制和調整，由于慣性環節過多，在設計模型時，我們將翼傘和空投箱假設作為剛性物體進行研究，兩個剛性物體通過鉸鏈連接，分析受力后得出模型進行分析。

10軸傳感器和微控制器通信后，將內部的數據進行濾波，包含狀態估算、動力解算及數字濾波，本設計中采用卡爾曼濾波，最后得到高精度的姿態參數，根據當前姿態和GPS信息來判斷并控制牽引裝置做出相應動作。

4 測試平臺介紹

本設計中的測試平臺采用常規布局固定翼無人機，翼展2.2米，機長1.5米，最大起飛重量6公斤，動力系統采用雙發動力,2820無刷電機，650KV值，40A電子調速器，1170螺旋槳，16000mAh 6S鋰電池。測試使用的無人機采用彈射起飛，最大起飛重量6.5公斤。所以測試使用的航空炸彈型空投箱的整體重量不超過4公斤，空投箱尺寸為0.2×0.2×1米，降落傘彈射裝置內置于空投箱內部，牽引裝置放置在空投箱兩側，降落傘的尺寸為3.2×1.2米。經過實際測試發現當牽引裝置控制操控繩進行方向的改變時，瞬間會有一個作用力影響空投箱姿態，這個擾動量對系統的干擾較大，容易使控制器預測錯誤或者失敗，后期改進加入一定時間的延時或者容錯，將這個姿態的變化忽略后精度大大提升。

5 總結

本文主要介紹了一種基于STM32的精準空投控制裝置，這種控制裝置有效的控制降落傘按照預測的降落軌跡進行降落，達到精準空投的目的，經過多次測試和改進，控制精度較高。雖然空投箱采用航空炸彈型空投箱，受到空氣密度變化影響小，易于控制，但是很多物體由于體積的原因不能夠裝入空投箱，大大減小了可空投物品的范圍，在以后的研究中會加入更多形狀的空投箱進行研究和測試。