基于STM32的陸空雙棲無人機設計

摘" 要：針對應可陸地行走和空中飛行，以及能夠實現手動遙控和自主移動的功能，設計一種基于多旋翼和行走機構的陸空兩棲無人機。飛行控制系統以STM32H743為核心，地面控制系統以STM32F103為核心，完成飛行運動和地面運動控制系統的硬件設計。根據功能制作樣機，并對樣機進行陸地行走試驗和二維碼識別定點飛行試驗。試驗中，該機能夠實現自動巡線完成陸地行走到達目的地，然后根據指示進行起降，空中懸停、識別二維碼，并飛行至指定的飛行終端點等基礎功能與發揮功能。試驗結果表明，該小型陸空無人機巡線準確，起降平穩，能夠根據二維碼指示成功到達目的地，實現賽題中列出的各項功能。

關鍵詞：陸空兩棲；自動巡線；二維碼識別；平穩起降；無人機

中圖分類號：TP31" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0036-05

Abstract： In view of the ability to walk on land and fly in the air， and the ability to realize manual remote control and autonomous movement， a land-air amphibious UAV based on multi-rotor and walking mechanism is designed. The flight control system uses STM32H743 as the core， and the ground control system uses STM32F103 as the core. The hardware design of the flight motion and ground motion control systems has been completed. A prototype was made according to its functions， and the prototype was subjected to land walking tests and QR code recognition fixed-point flight tests. During the test， the aircraft was able to automatically patrol the line and complete land walking to the destination， then take off and land according to the instructions， hover in the air， identify QR codes， and fly to the designated flight terminal point and other basic functions and functions. The test results show that the small land-air UAV patrols accurately， takes off and lands smoothly， and can successfully reach the destination according to the QR code instructions， realizing the various functions listed in the competition questions.

Keywords： land-air amphibious; automatic line patrol; QR code recognition; smooth take-off and landing; UVA

本文根據2024年全國大學生電子設計競賽（高職組）I 題——陸空雙棲無人機系統的任務要求，設計了一種基于多旋翼和行走機構的陸空兩棲無人機。其中，飛行系統的動力部分來源于無刷電機，地面系統的動力部分來源于減速電機。兩棲無人機在行進過程中具備一定的循跡功能、物品抓取投放、二維碼識別、定點懸停及定點降落功能等。該無人機系統可以自由地在空中和地面2個維度運動模式間進行切換，克服了輪式無人車越障能力差、多旋翼無人機能耗高、續航時間短的缺點，有效地提高了無人機系統的運動能力，擴大了巡航范圍，實現陸空高效率的偵察與物資投放，具有重要意義與價值。

1" 系統設計

1.1" 總體方案設計

陸空兩棲無人機系統由遙控器、地面運動系統、空中運動系統和抓取組件構成，如圖1所示。地面運動系統根據循跡板獲取的信息經過處理后，通過驅動芯片驅動減速電機前進轉彎，到達終點后由二維碼識別并通過LED指示出結果?？罩羞\動系統通過電調控制各個電機的轉速，能夠自主切換手動模式和自主飛行模式，并且能夠準確地識別目標終點。抓取組件既要能手動控制抓取目標載荷，還能在終點自主釋放。

1.2" 系統硬件設計

1.2.1" 地面運動系統

地面運動系統框圖如圖2所示。由主控模塊、循跡板、驅動控制模塊、減速電機、OpenMV、舵機和LED等部分組成。主控模塊負責接收和處理循跡板、OpenMv以及接收機傳來的信號，經過處理后發給減速電機、舵機和LED。

地面運動系統主控模塊采用STM32F103C8T6芯片作為控制核心，它具有48個引腳，并配備了32個通用I/O口，集成了SPI、I2C和USART等通信接口，便于對各種傳感器數據進行采集，內置了4個定時器，能夠輸出多路PWM信號，從而確保驅動芯片獲得穩定PWM波形[1]。本設計需要使用到2路串口和2個定時器輸出PWM波形。該芯片串口USART1與定時器TIM1，串口USART2與定時器TIM2引腳復用，所以選擇定時器TIM4的4路輸出作為電機驅動的驅動信號，定時器TIM3的2路輸出控制舵機。串口USART與循跡板通信，串口 USART2與OpenMV進行通信。3路I/O口外接3個LED燈珠用來指示目標，2路I/O口外接接收機用來遙控地面運動系統的運動。

循跡板采用的是自制的16路光敏傳感器，如圖3所示，多路傳感器可以應對較為復雜的巡線路徑，但會占用過多的I/O口，所以循跡板上同樣集成了一塊STM32F103C8T6芯片用來處理光敏傳感器獲取的數據，并通過串口與控制芯片進行通信，根據居中行進的策略，通過調整2路電機的PWM波形的占空比來實現循跡前進。

驅動組件采用390減速電機搭配2路BTS7960驅動芯片，如圖4所示。390減速電機支持12～24 V電壓輸入，堵轉電流35 A左右。BTS7960驅動芯片支持輸入電壓6～27 V，最大電流43 A，輸入電平3.3～5 V，控制方式為兩路PWM或高低電平， 能夠避免因堵轉導致電機燒毀。兩路芯片通過TIM4的4路輸出比較寄存器的PWM信號進行控制2個電機的正轉反轉以及利用轉速差進行轉向。

圖像識別模塊采用的是mini OpenMV4機器視覺模塊，如圖5所示，采用OpenMV IDE開發平臺，用Python語言編程，內置Python解釋器，編程時消息窗提示，免編譯?？勺R別圖像、形狀、直線、人臉、數字和二維碼等[2]。本設計主要使用OpenMV4識別二維碼和識別數字。二維碼在無人機系統前進的正前方，數字則是在飛行器的下方。所以OpenMV模塊安裝在可90°旋轉的舵機軸上用來切換視角，舵機安裝在地面系統的底盤前方。OpenMV與地面系統和飛行系統均采用串口通信。2個子系統都是接受OpenMV模塊發送的信息，所以將OpenMV的串口TX線并聯接到2個子系統的RX線上。

地面運動系統的整體框架結構、輪轂、輪胎、抓取組件以及電池倉均采用Solidworks建模軟件進行設計，并利用3D打印機采用高韌性高強度的PETG耗材和柔性TPU耗材進行制作。車體如圖6所示，預留了主控芯片、驅動芯片、2路舵機和LED燈珠的安裝位置，因為定高和定位的需求，無人機需要向下發送和接收信號，所以車體同樣預留飛行系統所用的超聲波傳感器和光流傳感器的安裝位置。

地面運動系統和飛行系統使用同一塊航空鋰電池供電。鋰電池型號為4s 5300mah 45C，提供電壓為14.8～16.8 V。因電池重量較重，為保證整體系統的重心平衡以及接線方便，將電池倉安裝在地面系統與飛行系統之間，用螺絲鎖緊，如圖7所示。

1.2.2" 飛行系統

飛行系統的控制器選擇的是比較主流的開源飛控ACFLY A9，接線圖如圖8所示，該飛控使用STM32H743VIT6芯片作為控制芯片，集成陀螺儀加速度計BMI088、磁羅盤IST8310、氣壓計SPL06，搭載 FreeRTOS 操作系統[3]，源代碼提供清晰的飛控架構，超過100+接口函數，可以非常方便地進行二次開發。支持多傳感器異常檢測智能融合，避免GPS氣壓不穩定造成位置波動。傳感器自主切換，不懼單個傳感器異常失效。支持GPS、光流、超聲波等外部傳感器偏移補償，飛控安裝偏移補償，偏移安裝不影響飛行精度。硬件搭好后，可根據需求在原來的程序框架上進行二次開發。

機型選擇的是X型四旋翼無人機機型[4]，相對于十字形和H型，X型機型前后左右飛行時加減速電機較多，操控性好，飛行動力高效。電機采用郎宇X2212 kV980無刷電機，支持20～40 A電調，支持2～4 s電池，搭配8045尼龍螺旋槳，單顆最大拉力840 g，四軸無人機最大拉力3 360 g，拉力足以帶動整個系統平穩飛行。電調采用的是蜻蜓的30 A電調。

定高模式需要知道系統當前的高度狀態。ACFLY飛控內置的定高系統采用的是氣壓計方案。傳感器是飛控系統的核心組成部分，對飛行器的穩定性和定位精度具有很大的影響。氣壓計一般在室外20 m以上才會發揮較優的效果，在室內容易受到風扇空調等外界氣壓變化因素的干擾[5]。因此選擇在飛控上外接一個US-100超聲波模塊，如圖9所示。US-100超聲波測距模塊可測距離為2 cm～4.5 m[6]，滿足測試定高為150 cm±10 cm的要求。

無人機自主飛行的前提，是要有定位系統來獲取精確定位飛機的位置，以支持飛機的自主控制、避障和導航等任務[7]。常規的室內定位方案有光流、激光雷達、機器視覺和UWB室內定位基站等。處于成本考慮，本文采用LC302光流模塊，如圖10所示，光流模塊通過攝像頭獲取無人機下面地面畫面，再利用光流懸停智能算法進行光流計算，來獲取無人機在水平二維方向的位移信息[8]。變轉換為控制指令通過串口輸出給飛控，來控制飛機水平移動。實際測試時發現，飛機不能每次都準確地降落在指定坐標，主要原因是測試時間的不同，環境的光照變化，對光流定位的精度影響較大。因此在光流定位的基礎上，搭配OpenMV視覺模塊輔助定位。無人機通過光流模塊進行粗定位，到達標記上方預定位置，在通過OpenMV模塊通過模板匹配來獲取無人機與目標的相對位置和姿態，輔助降落。

1.2.3" 遙控器與抓取組件

遙控器選擇的是樂迪AT9SPRO，如圖11所示。樂迪AT9SPRO支持12通道輸出，其中SwB設置為急停開關，SwC設置用于切換模式（包含任務模式、定點模式、定高模式），SwE，SwG三段開關用來控制地面系統左右輪的前進停止后退，SwF二段開關用來控制抓取組件的開合。

遙控器搭配R9DS接收機如圖12所示，該接收機支持10通道輸出+SBUS輸出。飛控通過SBUS線與接收機相連，1到3通道用杜邦線連接到地面系統主控模塊的通用I/O口上，用于手動控制地面運動系統的運動和抓取。

抓取組件由3D打印的夾爪加舵機組成，如圖13所示，舵機采用SG90 9g舵機。由于抓取的目標載荷是一個3 cm×3 cm×3 cm 的黑色立方海綿，高度較矮。另外車體前部已經有循跡板并且安裝在前部會遮擋OpenMV的俯視視角，因此選擇將抓取組件倒置安裝在底盤后部，夾爪距離地面2 cm，方便夾取目標物。

1.3" 系統軟件設計

兩棲系統的程序流程圖如圖14所示，根據比賽要求，無人機系統上電后，飛行系統電調處于上鎖狀態，地面系統先進行道路循跡。當循跡板兩端都檢測到信號時，判斷到達A點后，延時50 ms后，2路電機停止前進。OpenMV模塊始終保持檢測狀態，當檢測到二維碼，將通過串口與主控地面系統芯片進行通信，根據二維碼識別的結果，點亮對應的小燈。之后主控芯片利用PWM信號驅動舵機調整OpenMV視角由正視為俯視，方便后續輔助降落。基礎要求識別后，手動解鎖電調，無人機飛行到指定的150 cm±10 cm的高度。無人機根據超聲波傳感器的反饋數據將無人機保持在指定的高度，遙控目標到目標點后，手動降落。提高要求識別后，通過遙控器抓取目標物，通過2路遙控通道控制地面系統的電機運轉到目標物處，再利用另一路遙控通道控制舵機抓取目標。調整無人機位置，進入任務模式自主飛行。任務模式飛行系統通過串口通信獲取二維碼識別的結果，并將結果與原先測算的坐標進行匹配。無人機在指定高度到達目標物上方，通過OpenMV識別目標數字，進行精準位置調整。當到達目的地，圖像模塊通過串口通信控制舵機松開夾爪進行拋投。在拋投后，進行平穩降落。

2" 系統測試

2.1" 實驗測試設計

比賽賽道圖如圖15所示，地面系統將電路焊接好后，使用數字電源、萬用表、函數信號發生器等設備測試焊接是否有問題。再根據任務要求單獨測試電機驅動、循跡信號、串口通信、識別二維碼是否正常、數字識別和抓取等功能。

飛行系統單獨組裝，利用GCS PRO地面站進行遙控器校準、參數設置，按鍵定義，手動測試從A點起飛，定高飛行模式是否平穩。用keil5將二次開發的飛控代碼燒錄進飛控，利用任務模式測試定點自主飛行是否能到達目標坐標的上方附近，OpenMV輔助降落是否能指示無人機準確到達目標點上方。

之后將地面系統和飛行系統用螺絲鎖緊后聯合測試巡線、自主飛行、物資投放。實物測試如圖16所示。

2.2" 測試數據

2.3" 實驗結論

根據上述測試數據，地空雙棲無人機能夠做到在設定時間內完成循跡、飛行及抓取的要求，由此可以得出以下結論：①能夠完成自主行駛巡線；②能夠有效識別二維碼；③能夠手動定高飛行；④能夠夾取規定載荷；⑤能夠自主巡航飛行；⑥能自主釋放貨物功能；⑦能夠平穩降落在目標點；⑧運行時間在規定要求范圍內。綜上所述，本設計能夠完成要求的基本要求和發揮要求。

3" 結束語

本文設計并制作了一種基于多旋翼和行走機構的陸空兩棲無人機系統，無人機可以實現自動循跡、二維碼識別、物品抓取、定高飛行、自主飛行和定點降落等功能。無人機利用超聲波傳感器和光流傳感器對周圍環境進行信息采集，以此來進行無人機室內飛行的定位導航，利用OpenMV圖像識別技術輔助定點精準降落，為無人機在復雜情況下長時間偵察、物資拋投、自主飛行提供了一種可行性方案。

參考文獻：

[1] 杜正聰，吳松，黎安慶，等.基于EKF算法的多傳感器定位儀設計[J].傳感器與微系統，2024，43（6）：98-104.

[2] 賴盛英，謝鑫鑫，樊偉征，等.基于OpenMV圖像識別的自主迷宮尋寶小車[J].現代電子技術，2024，47（5）：70-74.

[3] 趙典，王新懷，徐茵，等.基于多傳感器融合的室內自主飛行器系統[J].電子產品世界，2022，29（7）：31-35，97.

[4] 伍賽特.無人機動力系統技術特點及選型研究[J].科技創新與應用，2024，14（15）：1-8.

[5] 馬云鵬.基于強化學習的小型無人機控制方法研究[D].北京：北京郵電大學，2024.

[6] 湛柏明，馮浩文，黃海波，等.小型室內四旋翼飛行器懸停及避障系統設計[J].自動化儀表，2023，44（1）：42-48，54.

[7] 李俊芳，李峰，吉月輝，等.四旋翼無人機軌跡穩定跟蹤控制[J].控制與決策，2020，35（2）：349-356.

[8] 孟學斌，齊詠生，李永亭，等.基于視覺的四旋翼無人機自主降落算法研究[J].控制工程，2020，27（10）：1751-1759.