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(jié)構(gòu)簡單，飛行穩(wěn)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(qū)動模塊、無線通訊模塊及電源模塊進行闡述。

【關(guān)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(tài)和準靜態(tài)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)方向相同。即：電機1，3按照逆時針方向旋轉(zhuǎn)，電機2，4按照順時針方向旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)），規(guī)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(zhuǎn)運動、前后運動、側(cè)向運動，通過控制4個電機的旋轉(zhuǎn)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(xù)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(qū)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(zhuǎn)換、融合傳感器數(shù)據(jù)，計算飛行器的姿態(tài)信息、高度信息、位置信息，從而實現(xiàn)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(tài)。

2.3電機驅(qū)動模塊

電機是四旋翼飛行器的執(zhí)行機構(gòu)。它能夠?qū)w行控制器的輸出轉(zhuǎn)換為旋翼的轉(zhuǎn)速，并通過改變各旋翼的升力與反扭矩來調(diào)節(jié)飛行姿態(tài)。

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(jiān)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(shù)據(jù)通信模塊。

3系統(tǒng)組成

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

4結(jié)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(xù)的研究提供了一個平臺，可以在這基礎上對系統(tǒng)建模、姿態(tài)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(tǒng)研究[J].機械科學與技術(shù)，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(xiàn)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(shù)，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(yè)大學科技創(chuàng)新基金（K16008）endprint