四旋翼無人飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

許奇

摘要：該文對(duì)四旋翼飛行器的飛行原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹和分析，并根據(jù)其原理進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，能讓四旋翼飛行器在空中能夠平穩(wěn)運(yùn)行。通過研究設(shè)計(jì)，利用合適的控制方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器垂直運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)共六個(gè)自由度的控制，同時(shí)驗(yàn)證了四旋翼飛行器整體系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)的可行性，使其能通過遙控控制實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)地飛行。

關(guān)鍵詞：四旋翼無人機(jī);STM32F405;電機(jī)控制;飛行原理;卡爾曼濾波

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）36-0173-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

隨著社會(huì)的發(fā)展，在越來越多的領(lǐng)域四旋翼無人機(jī)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，很難找到它的替代品。萬物互聯(lián)的大時(shí)代正在到來，隨著通信技術(shù)、智能控制技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)的應(yīng)用范圍更加寬泛，人們對(duì)無人機(jī)的使用需求也在日益增加，無人機(jī)的消費(fèi)市場(chǎng)正在迅速打開。不難預(yù)見，在未來人們的日常生活中，民用無人機(jī)將提供更多的方便和幫助。民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈正在逐漸完善，規(guī)模化生產(chǎn)已基本實(shí)現(xiàn)，未來的市場(chǎng)規(guī)模巨大，商業(yè)價(jià)值顯著，也正是因?yàn)檫@樣，對(duì)四旋翼無人機(jī)的研究具有良好的市場(chǎng)前瞻性。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從1907年開始，在國(guó)外對(duì)多旋翼飛行器的研究就已經(jīng)出現(xiàn)了萌芽，由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)水平和電子技術(shù)的水平不高，盡管已經(jīng)有一些實(shí)際的成品被制作出來，但多旋翼飛行器還是沒有得到廣泛的應(yīng)用。

在21世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)外的許多機(jī)構(gòu)和學(xué)校都在自己的領(lǐng)域以四旋翼飛行器進(jìn)行大量的研究和應(yīng)用，不斷地探索四旋翼飛行器的各種方面的技術(shù)和算法，以此來研發(fā)出更多能滿足人們需求的四旋翼飛行器，而且由于目前的研究方向主要集中在小型和微型飛行器上面，嵌入式技術(shù)作為微電子技術(shù)的重要分支也在其中扮演了重要的角色。

隨著硬件制造技術(shù)的飛速的發(fā)展，四旋翼無人機(jī)的微系統(tǒng)、傳感器、處理器芯片以及控制理論等技術(shù)迎來了一個(gè)全新的時(shí)期。硬件材料性能越來越好，集成度也越來越高，價(jià)格也越來越便宜，這些特點(diǎn)不僅受到越來越多研究機(jī)構(gòu)以及公司的重視，也使四旋翼無人機(jī)成為優(yōu)良的無人機(jī)研制平臺(tái)。不光是國(guó)內(nèi)外的重點(diǎn)大學(xué)，還有諸多科研機(jī)構(gòu)以及商業(yè)公司也都想抓住這次機(jī)會(huì)，對(duì)四旋翼無人機(jī)進(jìn)行深入研發(fā)。目前，商用四旋翼直升機(jī)模型是研究四旋翼無人機(jī)的主要形式，重點(diǎn)研究其中的建模、控制和規(guī)劃等環(huán)節(jié)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件總體方案設(shè)計(jì)如下：

（1）將STM32F407芯片作為主控單元，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)需要+5V的直流電壓;

（2）使用MPU6050姿態(tài)傳感器模塊來實(shí)時(shí)檢測(cè)飛行器的飛行姿態(tài);

（3）采用PWM控制信號(hào)來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)飛行器姿態(tài)改變;

（4）遙控控制模塊采用的是Microzone航模專用遙控器來發(fā)送和接收控制信號(hào)。

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

AT89C51是單片機(jī)入門的一款芯片，其處理速度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，就將STC15和STM32兩款芯片作為設(shè)計(jì)的主控芯片的方案選擇，由于身邊剛好有STC32芯片的設(shè)計(jì)，就將STM32F405芯片作為本次設(shè)計(jì)的主控芯片。STM32F405芯片的工作電壓范圍在2.0V～3.6V，具有2個(gè)I?C接口，且具有112個(gè)快速I/O口，6個(gè)通道用于PWM輸出，其運(yùn)算精度極高，存儲(chǔ)EEPROM容量大，能夠滿足飛行器的實(shí)時(shí)姿態(tài)檢測(cè)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

本次設(shè)計(jì)的是四旋翼飛行器，所以選用的是體積小的直流無刷電機(jī)。直流電機(jī)具有能量耗能低、控制率高、可利用性大的特點(diǎn)，與有刷電機(jī)相比，其能量轉(zhuǎn)換率更高，噪音小，響應(yīng)速度快，直流無刷電機(jī)的雖然價(jià)格成本稍高，但是后期的維護(hù)成本較小，因此選擇直流無刷電機(jī)作為本次設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是通過STM32的PWM通道輸出方波脈沖，通過改變占空比來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，重復(fù)頻率為20Hz～50Hz，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變飛行姿態(tài)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

整個(gè)軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)由單片機(jī)主程序、姿態(tài)檢測(cè)程序、無線通信程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序組成。飛行器控制軟件的編譯環(huán)境是在Keil5上采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，其目的是在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的驅(qū)動(dòng)，使其實(shí)現(xiàn)預(yù)想的功能，滿足設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)還可以進(jìn)行控制，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行操作。C語(yǔ)言是目前應(yīng)用最廣泛。最基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，使用C語(yǔ)言編寫系統(tǒng)軟件程序能使開發(fā)者更容易理解和學(xué)習(xí)，在需要修改的時(shí)候也更方便。在本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，運(yùn)用到了比較復(fù)雜的算法，所以選用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫。在硬件設(shè)計(jì)階段采用的控制芯片為STM32F405，軟件設(shè)計(jì)中編程調(diào)試的軟件采用的是Keil5的嵌入式集成開發(fā)環(huán)境。C語(yǔ)言可以很容易在軟件中編程和調(diào)試，并且支持SWD實(shí)時(shí)硬件仿真的調(diào)試，因?yàn)樵谡n程學(xué)習(xí)中較為熟悉Keil5軟件，故而選擇該軟件作為本次設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試的平臺(tái)。

3.2 單片機(jī)主程序流程

單片機(jī)系統(tǒng)的主程序負(fù)責(zé)對(duì)整體系統(tǒng)的控制和協(xié)調(diào)其他子程序的實(shí)現(xiàn)功能和正常運(yùn)行。上電后程序開始先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，判斷整個(gè)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。若系統(tǒng)能正常進(jìn)行，則開始進(jìn)入程序的主程序循環(huán)，不斷采集飛行器實(shí)時(shí)姿態(tài)信號(hào)，并與姿態(tài)檢測(cè)模塊得到的數(shù)據(jù)相結(jié)合，并將這些得到的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)起來，以備后面的中斷處理程序使用。初始化完成的是對(duì)硬件的初始化、對(duì)傳感器模塊的初始化、對(duì)軟件系統(tǒng)參數(shù)的初始化等。其中MPU6050中包括陀螺儀和加速度計(jì)，設(shè)置采樣頻率為100Hz，而電機(jī)輸出信號(hào)的頻率為50Hz，即每檢測(cè)到兩次飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)就輸出一次控制信號(hào)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)四旋翼飛行器的特點(diǎn)對(duì)四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，提出了基于STM32系列的四旋翼飛行器的研究設(shè)計(jì)方案，根據(jù)設(shè)計(jì)方案展開對(duì)芯片和模塊的論證，以及硬件電路的原理設(shè)計(jì)和電路板的制作。在實(shí)際調(diào)試的過程中，發(fā)現(xiàn)飛行器懸停不穩(wěn)定，很容易受到氣流的影響。導(dǎo)致失控，應(yīng)該再增加氣壓計(jì)、磁力計(jì)和GPS 模塊等慣性測(cè)量模塊來使飛行器能更穩(wěn)定地飛行，實(shí)現(xiàn)定高、定點(diǎn)的功能，同時(shí)將傳感器模塊設(shè)計(jì)得更加合理，以避免干擾產(chǎn)生誤差，影響姿態(tài)測(cè)量的精度。

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