基于STM32的四旋翼无人飞行器..

1、专业方向课程设计论文基于STM32的四旋翼无人飞行器15基于STM32的四旋翼无人飞行器摘要：针对四旋翼飞行器，设计并实现了一种基于STM32的微型飞行控制器。以新型 ARMCortex- M3内核微处理器 STM32作为计算控制单元，对飞行控制器进行了模块化设计，包 括主控、惯性测量、执行驱动等单元模块。给出了系统软件设计流程，研究了一种基于互补滤波器的飞行姿态解算方法，实验表明控制器方案合理有效。关键词：四旋翼飞行器；STM32飞行器控制器；信息融合；飞行控制A flight controller for quadcopter based on STM32Abstract:the pape

2、r, based onA micro flight con troller for quad-rotor based on STM32 was desig ned and impleme nted. The con troller worked with the n ew-fashi oned ARM Cortex-M3 micro processor STM32 as its calculati on and con trol un it. And the con troller was modularized as main unit, inertial measurement unit

3、and actuator unit.Inthe system software flowchart, method for calculatingthe flight attitudedistributed fusi on filter were proposed as well as the con trol law in allusi on to the property of quad-rotor. The experime nts show that the desig n of the flight con troller is effective and rati on al.Ke

4、ywords:Quadcopter;STM32; flight con troller; in formatio n fusi on; flight con trol;目录1四旋翼飞行器简介 62飞行控制器硬件设计72.1主控模块72.2数据采集模块 72.3遥控信号接收处理模块 82.4执行机构驱动模块 93飞行控制器软件设计103.1软件设计流程103.2控制方法104参考文献13微型四旋翼飞行器是一种具有 4个对称分布的旋翼、由电驱动、能垂直起降 的飞行器。具有结构简单、稳定性好、承载能力强的特点。针对四旋翼飞行器，设计了一种基于STM32勺飞行控制器，其具有体积小、功耗低、硬件和软件资

5、源 丰富，开发效率高、成本低等优势。STM32系列处理器是ST公司新推出的一款基于高性能、 低成本、低功耗要求 的嵌入式处理器，应用专门设计的 ARMCortex-M3低功耗高速内核。STM32丰富 的片上资源可满足各类传感器通讯需求。基于STM32勺飞行控制器与传统的飞行控制器相比可大大降低系统的开发成本、节约资源。飞行控制器中姿态角解算应用了互补滤波的思想，该方法在保证精度情况下克服了经典卡尔曼滤波器计算负担大的缺点，具有较大的理论和应用价值。1四旋翼飞行器简介四旋翼飞行器总体布局形式上属于非共轴式碟形飞行器， 与常规旋翼式飞行 器相比，其结构更为紧凑，能够产生更大的升力。 通过控制4个旋

6、翼的转速可 使飞行器实现各种飞行动作。四旋翼飞行器的基本结构如图1所示mi图1四旋翼飞行器结构示意图四旋翼飞行器的4只旋翼安装于十字形机体的4个顶点位置，分为顺时针旋 转（1、3）和逆时针旋转（2、4） 2组。当4只旋翼转速相等时，相互间抵消反扭 力矩；同时增加或减小4只旋翼的转速可实现上升或下降运动；当1号与3号旋 翼转速增加（减小），2号和4号转速不变，飞行器实现偏航。当1号和3号 旋翼转速固定，2号旋翼转速增加（减小），4号旋翼转速减小（增加），飞行 器实现向左（向右）飞行。当2号和4号旋翼转速固定，1号旋翼转速增加 （减小），3号旋翼转速减小（增加），飞行器实现后退（前进）飞行。2飞行

7、控制器硬件设计飞行器控制器要能够通过采集处理微型 MEMS贯性器件和三维地磁传感器数 据，计算飞行器的姿态角和航向角，并根据飞行指令和任务要求，结合相应的控 制律给出适当的控制信号，控制飞行器的执行机构，改变飞行器的姿态和位置等。根据模块化设计思想，设计了飞行控制器，其中包括主控制模块、数据采集 模块、信号接收处理模块、执行机构驱动模块以及数据通讯接口。 飞行控制器中 选取STM32处理器作为主控芯片，硬件平台总体结构如图 2所示。磁传感器信号调理SPI电源 管理PPM按口GP10STM32l;CJTAGUART图2飞行控制器硬件结构无醫调0外设L 12.1主控模块控制器的核心是主控制模块，它

8、应具有多路模拟信号的高精度采集能力；输 出PWM脉冲控制信号能力；具有 PPM信号捕获解码能力；此外，还应具有多 个通信信道、充足的负载伺服机输出通道以及数据接口。考虑到不同环境下调试的便捷性，主控模块设计了 2种程序下载方案即JTAG 方式以及ISP方式，并预留了多个负载外设接口以满足照相机等负载设备的控制 需求。2.2数据采集模块为了提高飞行器控制可靠性，需要得到飞行器的俯仰和滚转角作为姿态反 馈，形成闭环控制。为提高其飞行稳定性，需加入角速率反馈以增加阻尼。飞行器的飞行姿态通过惯性测量单元来获取，包括3只MEMS陀螺仪、三轴加速度传感器和全向磁场传感器以及最高精度达 15cm的静压高度计

9、。 飞行器位置信息通过定位系统获取。传感器原理图如下:1TrtFJ Q.1厂 - -:4-g-VEQ PFGND沁4K-PASO t：LK图3传感器模块控制器中选用MPU6050作为三轴加速度计和三轴角速度传感器。加速度计 和角速率陀螺通过IIC接口与处理器进行通讯。2.3遥控信号接收处理模块如图4：1 . AIL:副瑕【第1通固-2. ELE：升降能（第2通道）-3. THR；油门（第3通道）-4. RUC：方向fit（第4通道）-5. GRY：起落架（第吕通道）-6. PIT：螺距（報通道厂辅助通道（第？通道）任巨酒道均可件为电at KLUJ如Ei sQf-rJ-l 宅图4接收机设计中采用

10、了直接购买的发射机和接收机。发射机通过 2.4G的免费频段发 送PPM信号，接收机接收到信号之后，解码成 PWM信号传给主控模块，再有 主控模块结合采集的传感器姿态数据进行相应的控制。2.4执行机构驱动模块由于四旋翼飞行器要实现自主悬停的关键是需要飞行器在倾斜时能在最短 的时间内回到平衡位置，这就要求执行机构能够快速反应，即能迅速地增大或减 小转速。针对四旋翼飞行器，执行机构中选用了无刷电机，无刷电机需要配以无 刷电调使用。常见商品电调采用的是 PPM信号，周期为20ms。3飞行控制器软件设计3.1软件设计流程本控制器的软件部分采用 c语言编制，主要完成硬件平台初始化、数据采 集处理、遥控信号

11、解码、电机控制、姿态角解算以及控制律的实现。主程序流程 图如5所示。程序入口进行获周期数据融合计算姿态角、航向亀高度飞科位置控制律计算捽制量输出图5程序流程图5中给出了飞行控制器软件部分的基本流程3.2控制方法比例、积分、微分(PID)控制器是当今工业界广泛使用的过程控制器，具有简 单、可靠和容易集成等特点3o PID控制器结构清晰，参数可调，适用于各种控 制对象，不需要被控系统的精确分析模型，并且算法简单高效，可在现场根据实际调节参数而取得较好的控制效果，通过 PID参数整定实现在比例、微分、积分 三个方面参数调整的控制策略来达到最佳系统响应和控制效果。完整的PID控制表达式如下：u(t)

12、= kpe(t) e(t)dt Td 瞥T odt其中，kp为比例增益，Ti为时间积分常数，Td为时间微分常数，u(t)为输出变量，e(t)为偏差数量在FPGA中，PID算法的实现采用数字逼近的计算方法。由于 FPGA的并行处 理的方式，在传感器满足其更新速率和传输性能的基础上，随着数值采样速率的增加，其数字逼近的数值越接近真实数值。 在这里，采用求和的方法代替积分运 算、向后差分运算代替微分运算。FPGA的精确时钟信号能够实现随着传感器性 能的提高，使积分、微分运算结果精度越来越高，并能够最大限度保证积分间隔 的准确。tke(t)dt 、 Te(i)0iTde(t) e(k) -e(k-1)ft;dtT其中，T为采样周期，k是采样序列号。在四旋翼飞行器控制系统中，可以将其积分运算和微分运算的结果近似看做 四旋翼飞行器的姿态和角速度。te(t)dt -ATaxis(t)ode(t)dtMEG日山其中，AT代表相应axis (包括Pitch、Roll、Yaw)三个轴上的姿态，ACC代表 相应axis (包括Pitch、Roll、Yaw)三个轴上的角速度。4参考文献1 楼然苗单片