康盟

基于STM32單片機(jī)的四軸無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

康盟

北京化工大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院，北京 100000

當(dāng)前世界范圍內(nèi)，無(wú)人機(jī)的研發(fā)成為重點(diǎn)。當(dāng)前已經(jīng)研發(fā)出了固定翼無(wú)人機(jī)和同軸雙槳無(wú)人機(jī)。由于四軸無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)和制造簡(jiǎn)單且容易操控，因此四軸無(wú)人機(jī)依舊為研發(fā)重點(diǎn)?；趯?duì)四軸無(wú)人機(jī)常用控制方式的研究，結(jié)合對(duì)硬件部分的了解，提出了基于STM32單片機(jī)的四軸無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定操控。

四軸飛行器；STM32；PID；飛行姿態(tài)

引言

在四軸無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要保證飛行器能夠被操控。由于PID控制模式經(jīng)過(guò)多年發(fā)展和研究，性能更加穩(wěn)定，因此可以應(yīng)用到無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)中。另外，在無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理的設(shè)計(jì)流程能夠減少設(shè)計(jì)過(guò)程的工作量，并提升設(shè)計(jì)的合理性。本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中按照無(wú)人機(jī)用途確定云臺(tái)和其余硬件設(shè)施，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)確定電池參數(shù)和各電路系統(tǒng)，從而提升無(wú)人機(jī)續(xù)航能力。

1 四軸無(wú)人機(jī)的整體設(shè)計(jì)

四軸無(wú)人機(jī)整體設(shè)計(jì)主要包括外形硬件設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面。

1.1 無(wú)人機(jī)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)中包括各類(lèi)參數(shù)的確定以及制造材料的選擇。由于四軸無(wú)人機(jī)采用十字布局方式，因此設(shè)計(jì)中需要按照無(wú)人機(jī)的云臺(tái)重量和各類(lèi)構(gòu)件的總重量確定臂長(zhǎng)，同時(shí)按照空氣動(dòng)力學(xué)的知識(shí)確定螺旋槳葉片參數(shù)。另外，在螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，兩對(duì)槳葉的旋轉(zhuǎn)方向相反。這種方式能夠抵消無(wú)人機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的扭矩，保證無(wú)人機(jī)的平穩(wěn)飛行[1]。另外，對(duì)于無(wú)人機(jī)的搭載云臺(tái)等系統(tǒng)，需要對(duì)攝像頭的視角、種類(lèi)等方面進(jìn)行確定，尤其是對(duì)于有測(cè)距、紅外成像要求的無(wú)人機(jī)，需要在云臺(tái)中架設(shè)多種探頭，并根據(jù)云臺(tái)重量確定電池容量、支撐機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、無(wú)人機(jī)整體重量、臂展和槳葉長(zhǎng)度等參數(shù)。

1.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于四旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，都會(huì)采用電池進(jìn)行無(wú)人機(jī)供電，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要硬件部分初步確定電池容量。在四旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，還需要建設(shè)信號(hào)傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)這些功能，在電路設(shè)計(jì)中需要架設(shè)各類(lèi)傳感器，因此在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要在電路中架設(shè)控制芯片。通過(guò)對(duì)多種控制芯片的選擇，本文最終選擇了 STM32單片機(jī)作為無(wú)人機(jī)的主控芯片。另外，在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括藍(lán)牙通信模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊。

1.3 飛行原理選取

當(dāng)前的四旋翼無(wú)人機(jī)飛行原理主要采用兩種方式。一種方式通過(guò)單一電機(jī)提供飛行動(dòng)力和改變飛行姿態(tài)。這種方式將電機(jī)的前方設(shè)定為飛行器的飛行初始前方，以此為基準(zhǔn)對(duì)飛行器的飛行狀態(tài)進(jìn)行確定。采用這種方式的飛行器雖然會(huì)在一定程度上降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，但是無(wú)人機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)比較難以控制。另一種為對(duì)不同的槳葉提供獨(dú)立電機(jī)的方式。這種無(wú)人機(jī)將兩個(gè)電機(jī)方向設(shè)定為前方，另外兩個(gè)設(shè)定為后方。雖然這種方式設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，且建設(shè)成本更高，但是能夠在很大程度上提升控制穩(wěn)定性，并且飛行姿態(tài)的變化種類(lèi)也獲得較大提升[2]。

1.4 PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PID控制方式是當(dāng)前較為成熟的一種控制方式。這種控制系統(tǒng)模型為一個(gè)閉環(huán)回路，通過(guò)反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。對(duì)于四軸無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)姿態(tài)的調(diào)整，調(diào)整對(duì)象為俯仰角、偏航角和翻滾角。在控制無(wú)人機(jī)的過(guò)程中，這三個(gè)參數(shù)為確定值，并且相互獨(dú)立。在PID系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，涉及兩個(gè)回路。其中一個(gè)回路為總回路，即將螺旋槳的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與運(yùn)行飛行器姿態(tài)與期望值進(jìn)行比較的回路。另一個(gè)為內(nèi)部回路，將螺旋槳的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋給角速度環(huán)PID控制器。另外，在PID控制系統(tǒng)中還設(shè)置了一個(gè)角度環(huán)PID控制器。兩個(gè)控制器串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)姿態(tài)的控制。

2 基于STM32單片機(jī)的四軸無(wú)人機(jī)的電路設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力電路設(shè)計(jì)

四軸無(wú)人機(jī)的動(dòng)力來(lái)源為電池。另外電池還對(duì)所有電路中的設(shè)備進(jìn)行供電，所以對(duì)于具有不同電壓要求的電子器件來(lái)說(shuō)，需要在電路中設(shè)置電壓調(diào)節(jié)器件保證系統(tǒng)能夠處于正常的工作電壓下。本文中無(wú)人機(jī)的電機(jī)電壓為3.7 V，采用4電機(jī)提供動(dòng)力模式，最終確定使用的鋰電池電壓為3.7 V，可以應(yīng)用鋰電池直接供電。但是對(duì)于四旋翼無(wú)人機(jī)的姿態(tài)控制來(lái)說(shuō)，姿態(tài)控制是通過(guò)對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)速的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以需要由控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的發(fā)出信號(hào)無(wú)法直接對(duì)動(dòng)力電路進(jìn)行控制，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要設(shè)置專(zhuān)用的動(dòng)力控制電路，放大控制芯片發(fā)出的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電路的控制。

2.2 通信電路設(shè)計(jì)

通信電路的設(shè)計(jì)涉及兩個(gè)方面：一個(gè)是飛行器端；一個(gè)是遙控端。對(duì)于飛行器端的通信電路設(shè)計(jì)，需要通過(guò)程序編寫(xiě)讓單片機(jī)能夠識(shí)別遙控端發(fā)出的各類(lèi)信號(hào)，將信號(hào)放大后實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整。對(duì)于遙控端，通常情況下已經(jīng)較為完善，在設(shè)計(jì)中需要讓遙控端與飛行器端建立一一對(duì)應(yīng)的指令關(guān)系，保證遙控端的指令能夠被飛行器端識(shí)別。當(dāng)前的通信系統(tǒng)多采用藍(lán)牙和無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)控制模式。因此在設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)這兩種通信技術(shù)的異同點(diǎn)和特性進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

2.3 姿態(tài)傳感器設(shè)計(jì)

在進(jìn)行姿態(tài)傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，本文設(shè)計(jì)的四軸無(wú)人機(jī)電機(jī)配置方式為兩前兩后，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)的要求更高，因此對(duì)姿態(tài)傳感器的功能性提出了更高要求。本文選用了MPU6050姿態(tài)傳感器，在該傳感器的應(yīng)用過(guò)程中，能夠在I2C接口上接入第三方數(shù)字傳感器。應(yīng)用這種傳感器能夠提升無(wú)人機(jī)姿態(tài)測(cè)量精度。在控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，主控芯片對(duì)姿態(tài)傳感器的控制方式有兩種。首先是軟件控制。這種方式原理為主控芯片通過(guò)I2C接口讀取姿態(tài)傳感器中的數(shù)據(jù)，通過(guò)程序處理讓數(shù)據(jù)與相應(yīng)的控制情況相符，這種方式在很大程度上提升了計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。其次是硬件控制。硬件控制的原理為由姿態(tài)傳感器通過(guò)數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器進(jìn)行飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)的調(diào)整與計(jì)算，將轉(zhuǎn)換成歐拉角的數(shù)據(jù)放置在FIFO中，再由主控芯片讀取這些數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)等方式進(jìn)行姿態(tài)調(diào)控，這種方式能夠縮短系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間[3]。

2.4 控制芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在控制芯片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了要按照單片機(jī)的產(chǎn)品說(shuō)明保證接口接入的正確性以外，還需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助電路，其中最重要的就是電壓調(diào)整電路與振蕩電路。通過(guò)上文發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的電氣系統(tǒng)電池電壓為3.7 V，而單片機(jī)的工作電壓為2.0～3.6V。通過(guò)各類(lèi)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與設(shè)計(jì)，最終讓單片機(jī)工作電壓保持在3.3 V。因此在控制芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要使用降壓器時(shí)控制芯片處于正常的工作電壓下，最終應(yīng)用MIC5205芯片進(jìn)行穩(wěn)壓操作。對(duì)于外振蕩電路，在控制芯片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中最終確定為8?MHz晶振。

3 基于STM32單片機(jī)的四軸無(wú)人機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)具有程序存儲(chǔ)和運(yùn)行功能，可以將編寫(xiě)完成的控制程序存放到單片機(jī)中，讓該程序能夠充分發(fā)揮應(yīng)有功能。程序主要發(fā)揮的功能為電機(jī)工作狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)采集和處理、通信這三個(gè)方面。在無(wú)人機(jī)的控制過(guò)程中，這三個(gè)方面的程序運(yùn)行需要具有一定的時(shí)序性，保證整個(gè)控制過(guò)程能夠有條不紊地進(jìn)行。在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要在不同的功能間合理設(shè)計(jì)時(shí)間間隔，通常情況下時(shí)間間隔都很小，在該時(shí)間間隔內(nèi)讓程序能夠自動(dòng)進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，保證計(jì)算和控制的精確度。

4 結(jié)論

綜上所述，在四軸無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要首先進(jìn)行硬件部分設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中確定云臺(tái)和其余相關(guān)設(shè)施的重量，最終確定電機(jī)型號(hào)和電源容量。在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要充分了解不同姿態(tài)調(diào)整方法的運(yùn)行原理，并以此為依據(jù)進(jìn)一步合理確定電源型號(hào)，在確定電源電壓的基礎(chǔ)上，進(jìn)行動(dòng)力電路和控制電路的設(shè)計(jì)。最后要進(jìn)行控制程序編寫(xiě)，將程序存儲(chǔ)到單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的控制。

[1]周亮亮，汪列隆，張倩. 基于STM32的四軸飛行器設(shè)計(jì)[J]. 赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，32（13）：32-34.

[2]金薇. 基于STM32的四軸飛行器的研究與設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù)，2016（1）：92-93.

[3]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.

Design of Four-Axis UAV Based on STM32 Single Chip Microcomputer

Kang Meng

School of International Education, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100000

At present, the development of drones has become the focus of the world. Fixed-wing UAV and coaxial twin-propellers have been developed, the design and manufacture of four-axis UAV is simple and easy to control, so the four-axis drone is still the focus of research and development. Based on the research on the common control methods of the four-axis UAV, combined with the understanding of the hardware part, the design method of the four-axis UAV based on STM32 single-chip microcomputer is proposed to realize the stable control of the UAV.

four-axis aircraft; STM32; PID; flight attitude

TP242

A

康盟（1997—），漢族，山西大同人，本科雙學(xué)位在讀，北京化工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，研究方向?yàn)樽灾饕苿?dòng)式機(jī)器人。