高禮偉 朱小剛 陶波

摘 要：本文以STM32F4為飛控系統(tǒng)的核心，圍繞傳感器接口和數(shù)據(jù)采集、PWM電機(jī)控制等進(jìn)行硬件、軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；飛行控制系統(tǒng)；STM32；PID控制

中圖分類號：V249.2；TN61-34

小型四旋翼無人機(jī)（簡稱無人機(jī)）因機(jī)動靈活、費(fèi)效比高、維護(hù)方便、機(jī)動性能好等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。近年來嵌入式芯片高速發(fā)展，性能越發(fā)強(qiáng)大，為設(shè)計(jì)無人機(jī)飛行系統(tǒng)（簡稱飛控）提供方便。

1 四旋翼飛行器控制原理

小型四旋翼無人機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)一般是“十”字模式，如圖1所示。飛行時(shí)通過控制4個電機(jī)加、減速旋轉(zhuǎn)，使飛行器完成起飛、降落、旋轉(zhuǎn)等動作。

圖2為飛控的典型閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。通過各傳感器獲得姿態(tài)等數(shù)據(jù)，若姿態(tài)和或位置信息偏離指令值時(shí)，控制器根據(jù)PID算法輸出相應(yīng)的控制量，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制量做出相應(yīng)的動作，使無人機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的航點(diǎn)信息準(zhǔn)確飛行。

2 飛行器控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

因無人機(jī)自身速度快、位置精度高，對所搭載傳感器的精確性、實(shí)時(shí)性也要求較高，這才能滿足飛行控制的數(shù)據(jù)采集、解算、控制通信等任務(wù)。系統(tǒng)以STM32F429為核心，搭載9軸傳感器、氣壓計(jì)、GPS模塊、數(shù)傳電臺等傳感設(shè)備[ 1 ]。系統(tǒng)框圖見圖3。

2.1 STM32F4處理核心

ST公司Cortex-M4內(nèi)核的STM32F439嵌入式ARM芯片，支持浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、低電壓運(yùn)行其性能表見表1。

2.2 9軸傳感器接口

BNO055是9軸傳感器：3軸14位的加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、3軸16位的陀螺儀，輸出四元數(shù)、歐拉角、旋轉(zhuǎn)向量、線性加速等姿態(tài)信息，且支持I2C、UART等數(shù)字接口[ 2 ]。圖4為傳感器與STM32F429的I2C接口電路。

2.3 GPS模塊接口

系統(tǒng)采用NEO-6M GPS模塊測量速度、緯度、經(jīng)度、高度等導(dǎo)航數(shù)據(jù)，其定位速度快、度高、支持修改通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式。模塊自帶MAX232標(biāo)準(zhǔn)的串口電平接口， 圖5為與的STM32F429的串口接口電路。

2.4 數(shù)字氣壓計(jì)接口

數(shù)字式氣壓計(jì)BMP085獲取大氣壓力數(shù)據(jù)和高度數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS數(shù)據(jù)可得到精確的高度和速度數(shù)據(jù)。壓力測量絕對精度達(dá)0.03hPa，可以通過I2C總線直接與處理器相連，如圖6。

2.5 數(shù)傳電臺接口

采用Xtend900M電臺實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與地面的數(shù)據(jù)通信，其抗干擾性好，通信距離遠(yuǎn)，穩(wěn)定性好，頻率范圍 902MHz～928MHz。Xtend與STM32F439為串口連接。

2.6 其他接口

為擴(kuò)展需求，系統(tǒng)預(yù)留了豐富的接口，其中 PWM 輸出接口除了控制量輸出外，還可以為如云臺、傘倉等任務(wù)設(shè)備使用；SPI、I2C 接口可以用來擴(kuò)展外接高精度慣性導(dǎo)航器件等；

3 飛行器控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用IAR7.2嵌入式集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)，該環(huán)境支持嵌入式C編譯器，且支持J-link硬件仿真的實(shí)時(shí)在線調(diào)試。飛行器在飛行過程中控制飛行器角速度的增量，故采用PID的增量算法整體程序方法如公式1。

式中：un為第n個采樣時(shí)刻的控制；KP為比例放大系數(shù)；T 為采樣周期。

軟件模塊化設(shè)計(jì)包括傳感器數(shù)據(jù)的讀取及姿態(tài)解算、PID控制、PWM 信號捕獲以及控制電機(jī)的PWM波形輸出等。根據(jù)飛控的控制要求，設(shè)計(jì)了如圖7的軟件主流程圖。

4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)論

根據(jù)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，完成了四旋翼飛行器硬件制作與調(diào)試，并進(jìn)行程序編寫、下載調(diào)試。調(diào)試表明四旋翼飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，飛行靈活、穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊磊.基于STM32的小型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[2] 王東平.基于嵌入式的四軸飛行器控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].泉州：華僑大學(xué)，2013.

基金項(xiàng)目：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃

項(xiàng)目編號：201613114011Y