余亮 項(xiàng)平平

摘 要： 設(shè)計(jì)一種四軸飛行器。該飛行器由四片槳葉提供飛行升力，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制飛行姿態(tài)與路徑。采用PIXHAWK2.4.8核心開(kāi)發(fā)板，STM32處理數(shù)據(jù)，陀螺儀解算姿態(tài)，電調(diào)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，控制飛行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)常規(guī)姿態(tài)飛行。

關(guān)鍵詞： 飛行器;PIXHAWK;STM32;無(wú)刷電機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP29-AD? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)

1 引言

四軸飛行器具有體積小、靈活度較高、操控簡(jiǎn)單等眾多特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊 [1]。其未來(lái)可能發(fā)展成為新概念交通工具，或者用于安保以及高危環(huán)境作業(yè)等，普遍走進(jìn)人們的日常生活之中。

2 系統(tǒng)總體分析

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)STM32F427開(kāi)發(fā)板為核心器件，STM32F103C8T6為系統(tǒng)I/O口，配合電阻電容等器件，完成最小系統(tǒng)搭建。其余模塊圍繞PIXHAWK開(kāi)發(fā)板核心部分工作。開(kāi)發(fā)板中具有諸多傳感器可供系統(tǒng)控制使用，主要包含128K非易失閃存FM25V01元器件，TXS0108通用電平驅(qū)動(dòng)芯片，LTC4417電源管理芯片，MIC5332超低壓降傳感器，BQ24315電池管理芯片，TCA62724三色LED芯片，LT3469運(yùn)放， M8N傳感器，5V供電電源為等。硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1[2][3]。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板上部分傳感器已焊接完整，留有部分引腳以方便連接外設(shè)傳感器。處理單元由STM32F427VIT6（168 Mhz工作頻率、256KB RAM工作內(nèi)存與2MB的flash閃存100Pin）與STM32F103C8T6故障保護(hù)協(xié)處理器構(gòu)成，其具有四十八個(gè)引腳，用來(lái)控制輸入信號(hào)采集與輸出信號(hào)發(fā)射，其晶振頻率為24MHz。開(kāi)發(fā)板中帶有多個(gè)傳感器，包括16位陀螺儀STL3GD20為整個(gè)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)角速度數(shù)據(jù);14位加速度計(jì)電子羅盤(pán)STLSM303D測(cè)量飛行器加速度以及方向;MEASMS5611氣壓高度計(jì)起到測(cè)量飛行器飛行高度的作用;InvenSence MPU6000三軸加速度計(jì)/陀螺儀采集姿態(tài)變化。開(kāi)發(fā)板硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)可由NuttX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、中間件和飛行控制棧構(gòu)成。NuttX操作系統(tǒng)可以完成對(duì)底層任務(wù)調(diào)度;中間件運(yùn)行在操作系統(tǒng)上，操作系統(tǒng)為所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和uORB機(jī)制實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)板內(nèi)部異步通信。中間件的飛行控制棧可控制軟件棧;飛行控制棧分為位置姿態(tài)估計(jì)和決策導(dǎo)航兩部分，決策導(dǎo)航部分通過(guò)判斷自身狀態(tài)與接收機(jī)指令，確定自身的工作模式;位置姿態(tài)估計(jì)是通過(guò)傳感器得到位置、姿態(tài)信息。據(jù)此控制部分才能既快又穩(wěn)的達(dá)到期望位置姿態(tài)。執(zhí)行控制器輸出部分由MIXER、執(zhí)行器和PWM組成[4]。圖3是機(jī)體的兩坐標(biāo)系，左側(cè)為慣性坐標(biāo)系，右側(cè)代表物體三維空間坐標(biāo)。。

四軸飛行器的姿態(tài)控制是解決其自身坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置問(wèn)題。因?yàn)榈厍驅(qū)τ陲w行器而言過(guò)大，所以地球坐標(biāo)系固定不變。設(shè)北、東、上三個(gè)方向建立三維坐標(biāo)系R，另一個(gè)r坐標(biāo)系為飛行器自身。用歐拉角和四元數(shù)等算法解算兩個(gè)坐標(biāo)系之間的角位置關(guān)系。而姿態(tài)解算的歐拉角和四元數(shù)公式中的各個(gè)參數(shù)，都是由各個(gè)傳感器實(shí)時(shí)提供，其解算數(shù)據(jù)來(lái)自陀螺儀、加速度計(jì)和電子羅盤(pán)，將所有數(shù)據(jù)分析處理后，可換算成飛行器的相對(duì)位置關(guān)系和實(shí)時(shí)空中姿態(tài)。比如陀螺儀中的三軸加速度參數(shù)就可以由四元數(shù)算法解得飛行器當(dāng)下姿態(tài)參數(shù)中的三個(gè)角度，roll、pitch和yaw。加入三軸地磁和三軸的加速度后，就可以完成傳感器實(shí)際過(guò)程中的零點(diǎn)漂移、溫漂等數(shù)據(jù)補(bǔ)償，再通過(guò)更深度的解算得到更加準(zhǔn)確的姿態(tài)參數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)各類(lèi)飛行器所需硬件搭建、軟件編程開(kāi)發(fā)，完成飛行器復(fù)雜飛行過(guò)程中模型仿真，通過(guò)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)四軸飛行器電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，完成飛行器各個(gè)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了其基本飛行功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]程學(xué)功. 四軸飛行器的設(shè)計(jì)與研究[D].杭州電子科技大學(xué)，2013.

[2]祁芳超. 基于PIXHAWK的小型固定翼的飛行控制研究[D].沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，2017.

[3]于雅莉，孫楓，王元昔.基于多傳感器的四旋翼飛行器硬件電路設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（08）：113-115+123.

[4]劉煥曄. 小型四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].上海交通大學(xué)，2009.

基金項(xiàng)目：淮南師范學(xué)院2019年度“支持百名優(yōu)秀學(xué)生課外科技實(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)基金”項(xiàng)目--基于STM32主控四軸智能飛行器自動(dòng)定點(diǎn)投放快遞的設(shè)計(jì)與應(yīng)用