田昌　鄧文濤　趙娟

摘? ?要：近年來，隨著輕型復(fù)合材料廣泛應(yīng)用以及多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，無人機(jī)已經(jīng)不僅應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，其他領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。本文主要對(duì)多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一種以STM32F103C8T6為核心，MPU6050三軸陀螺儀作姿態(tài)傳感器輸出姿態(tài)值，以HM-12、HM-13系列藍(lán)牙模塊與手機(jī)通信的四旋翼無人機(jī)。該無人機(jī)結(jié)構(gòu)合理、操作靈活、性能良好、使用方便，適合現(xiàn)代生活多方需求。

關(guān)鍵詞：嵌入式? STM32F103C8T6? 控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：V249.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）10（c）-0061-02

隨著科技的進(jìn)步，無人機(jī)的發(fā)展十分迅猛，其已在諸多領(lǐng)域有著重要的作用。四旋翼無人機(jī)更是其中的一個(gè)典型。相比起其他傳統(tǒng)無人機(jī)，其操作靈活，地形限制少，攜帶方便，價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)無疑更貼近我們的生活，如無人機(jī)航拍，監(jiān)控，勘測(cè)地形等。因此，四旋翼無人機(jī)在未來的發(fā)展中無疑是極具前景的。

1? 硬件結(jié)構(gòu)與原理

四旋翼無人機(jī)主要由四軸飛行器和手機(jī)控制APP兩部分組成，其中四軸飛行器則是由四軸核心板，四軸螺旋槳，藍(lán)牙無線模塊，電池四部分組成，手機(jī)APP則是通過安卓語言開發(fā)的簡(jiǎn)易程序來與四軸飛行器上的藍(lán)牙模塊連接，達(dá)到可以控制飛行器的目的。

四旋翼無人機(jī)根據(jù)四旋翼對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，其有兩種飛行姿態(tài)，一種是根據(jù)四旋翼十字對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，將處于同一水平線的一對(duì)機(jī)架梁作為x軸另一對(duì)梁作為y軸的“+”型飛行姿態(tài)，如圖1所示。另一種是將相應(yīng)兩個(gè)梁的對(duì)稱軸線作為x軸，另一條對(duì)稱軸線作為y軸的“X”型飛行姿態(tài)，如圖1所示。

四旋翼飛行器是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其只有四個(gè)輸入力，但卻同時(shí)輸出六個(gè)狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)其飛行的主要便就是調(diào)節(jié)PWM占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使旋翼旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生上升或下降的力。同時(shí)調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，便可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的垂直運(yùn)動(dòng)，在通過調(diào)節(jié)不同的電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以實(shí)現(xiàn)俯仰，滾動(dòng)，偏航等多種運(yùn)動(dòng)，其操作簡(jiǎn)單，靈活多變的特性能極大的方便我們的生活。

2? 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

四旋翼無人機(jī)大致可分為六個(gè)部分，STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作;慣性測(cè)量模塊使用MPU6050來測(cè)量四旋翼的姿態(tài);無線通信模塊使用HM-12藍(lán)牙模塊來與手機(jī)進(jìn)行通信;電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊則使用直流電機(jī)負(fù)責(zé)調(diào)控旋翼;電源管理模塊負(fù)責(zé)穩(wěn)壓和充放電。手機(jī)APP模塊則是與藍(lán)牙模塊連，實(shí)現(xiàn)用手機(jī)操作無人機(jī)的效果。其整體框架如圖2所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于STM32的四旋翼無人機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括姿態(tài)解算和PID控制兩個(gè)部分。姿態(tài)解算屬于四旋翼制作的核心部分，如果姿態(tài)解算能夠?qū)崟r(shí)的反應(yīng)出無人機(jī)的狀態(tài)，那么對(duì)于控制來講就相對(duì)來說比較容易了。而姿態(tài)結(jié)算所要做的事情就是地理坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系這兩個(gè)坐標(biāo)系之間的正確轉(zhuǎn)化。姿態(tài)解算的核心在于旋轉(zhuǎn)，一般旋轉(zhuǎn)有矩陣表示、歐拉角表示、軸角表示和四元數(shù)表示4種，在組合旋轉(zhuǎn)方面，四元數(shù)表示最佳，故本文采用四元數(shù)保存組合姿態(tài)、輔以矩陣來變換向量的方案。在姿態(tài)解算中使用四元數(shù)來保存飛行器的姿態(tài)，包括旋轉(zhuǎn)和方位。在獲得四元數(shù)之后，會(huì)將其轉(zhuǎn)化為歐拉角，然后輸入到姿態(tài)控制算法中?？傮w設(shè)計(jì)則是通過MPU6050采集到的AD值（即陀螺儀和加速度值），將三個(gè)維度的AD值轉(zhuǎn)化為四元數(shù)，再通過四元數(shù)轉(zhuǎn)化為歐拉角pitch、roll、yaw即得到當(dāng)前飛機(jī)的姿態(tài)。其中這個(gè)四元數(shù)是軟解，由STM32F103C8T6主控芯片讀取到AD值，用軟件從AD值算得。

該系統(tǒng)對(duì)四旋翼的控制采用PID控制，利用期望姿態(tài)（pitch=0，roll=0，yaw=0）與當(dāng)前姿態(tài)的誤差，通過PID的控制作用輸出四路不同的PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)讓飛機(jī)調(diào)整自己的姿態(tài)滿足當(dāng)前姿態(tài)與期望姿態(tài)的誤差為0的目標(biāo)。其中，角度作為外環(huán)，角速度作為內(nèi)環(huán)，進(jìn)行姿態(tài)雙環(huán)PID控制。角度環(huán)的輸出值作為角速度環(huán)的輸入建立自穩(wěn)系統(tǒng)。其原理流程如圖3所示。

4? 結(jié)語

本系統(tǒng)以STM32F103C8T6為核心，通過MPU6050輸出模塊的姿態(tài)值，在使用PID控制來調(diào)節(jié)PWM的電機(jī)速率，通過無線藍(lán)牙模塊與手機(jī)藍(lán)牙相連，直接使用手機(jī)APP即可控制無人機(jī)。

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