多旋翼無人機的嵌入式自主飛行控制系統設計的研究

朱球輝

（中山市技師學院，廣東中山，528400）

多旋翼無人機的嵌入式自主飛行控制系統設計的研究

朱球輝

（中山市技師學院，廣東中山，528400）

本文在分析研究中，以多旋翼無人機作為研究對象，按照多旋翼無人機所在實際操作過程中所具有的特征，對于嵌入式自主飛行控制系統進行設計研究，讓多種類別多旋翼無人機在實際飛行過程中，能夠被嵌入式自主飛行控制系統所管理。

多旋翼無人機；嵌入式；自主飛行；控制系統設計

0 引言

無人機也被稱之為無人駕駛飛機，在實際操作過程中主要是通過無線電設備，對于并不需要飛行員的飛機飛行進行控制。無人機的產生是由于戰爭的要求，無人機最開始推出的時間可以追溯到第一次世界大戰，英國人為了能夠在戰爭內取得展現，首先開始對于無人機進行研究分析，主要目的是向敵后方投擲炸彈。第一架無人機是在10年之后正式投入應用的。伴隨著航空電子的快速發展，無人機研究得到了世界各國的廣泛關注，無人機研究進入到了快速發展階段。

1 多旋翼無人機硬件設計

1.1 多旋翼無人機的特點

本文所研究的多旋翼無人機，主要表示旋翼飛行器屬于對稱的結構，整個無人機飛行主要是通過無刷電機旋翼轉動產生驅動力，每個旋翼之間在升力在發生差異之后，滿足無人機在飛行過程中所需要具備的各種需求。

現階段多旋翼無人機主要具有三種類別，分別是四旋翼、六旋翼與八旋翼，不同旋翼無人機雖然在旋翼個數上面存在一定差異，但是無人機所秉持的飛行原理全部都是相同的。無人機在實際飛行過程中，主要具有六個方向的自動飛行，進而滿足無人機在飛行過程中所需要進行的三種運行模式，分別是俯仰運動、滾轉運動和偏航運動。

1.2 多旋翼無人機的性能指標與總體控制計劃

正常情況下，在對于多旋翼無人機控制器設計過程中，需要設計三個控制器，分別是位置控制器、速度控制器與姿態控制器，與此同時還需要對于無人機在飛行過程中所具有的姿態角度進行計算。這樣也就表示，無人機在設計過程中需要準守以下指標：首先，無人機飛行控制器在實際運行過程中必須具備運算性能，尤其在是對于無人機浮點數據計算上面；其次，無人機飛行控制器所具有的接口資源應該十分豐富，進而保證不同型號無人飛行機對于飛行控制器的需求，其中最為主要的接口主要有三個，分別是通信接口、AD轉換口和PWM輸出；最后，無人機飛行器還需要對于部分硬件設施進行添加或者是減少，通過跳冒方式，讓飛行控制器能夠在眾多類別的旋翼無人機上面應用。

想要保證最后設計完畢的控制器具有以上性能，這就需要在設計過程中對于控制器進行合理布局。所以，本文采取雙芯片的結構，對于控制器進行設計，保證控制器在完成有關計算任務過程中都兩個芯片能夠一同運轉，這樣兩個芯片所能夠承擔的負載顯著減少，運算性能也就能夠得到顯著提高，接口資源也能夠得到顯著豐富，提高無人機控制器所具有的經濟效益。

1.3 飛行控制系統的硬件設計

1.3.1 電源模塊

在對于電源模塊設計過程中，需要保證電源模塊能夠為飛行控制系統運行提供針對性的電壓數值，進而保證飛行控制器能夠穩定運行。飛行控制系統內的芯片要是全部都能夠穩定運行，從理論層面而言所需要的功率應該為3.6W，電流應該在0.9A。電源模塊在設計過程中需要具有一定余量，電源模塊所能夠應該的載荷應該為5v，所能夠輸出的電流應該超過1.2A。所以，本文在設計過程中，就應用直流無刷電機，為控制系統運行提供針對性電能。但是由于無人機控制系統在實際運行過程中電流變化幅度較大，電壓所具有的穩定性較低，這樣就需要對于電壓進行隔離，提升電壓穩定性。

1.3.2 處理器模塊

處理器模塊主要有三部分電路構成，分別是雙芯片結構電路、復位電路與JTAG電路。本文在對于多旋翼無人機控制系統處理器模塊設計及過程中，應用的是型號為STM32F20VCT6處理器，該型號處理器所具有的資源十分豐富，同時自身的銷售價格較為低廉，可是說是一款性價比非常高的處理器，能夠滿足本文對于多旋翼無人機控制系統的全面需求。

2 多旋翼無人機的嵌入式軟件系統設計

2.1 軟件系統要求

多旋翼無人機的嵌入式軟件系統在實際應用過程中主要作用就是操作者通過對于源代碼的編寫，將軟件語言落實落實到硬件系統之中，讓多旋翼無人機能夠完成有關操作。本文在對于多旋翼無人機的嵌入式軟件系統設計過程中，主要將系統劃分為兩個部分，分別是主機系統與從機系統。其中主機系統主要作用就是完成對于數據采集、控制及通信等等操作，從機系統的主要作用就是完成算法與數據讀寫等等操作。

2.2 OS/II移植

2.2.1 軟件開發環境

在對于嵌入式軟件設計過程中，現階段應用最為廣泛的主要有兩種開發環境，第一種就是IARworkbench，第二種就是ReaView MDK。本文在對于軟件設計開發過程中，應用的是第一種軟件開發環境，進而完成對于軟件處理器編寫的設計。

2.2.2 OS/II移植

OS/II移植主要作用是保證處理器能夠與內核相連接，完成內核所下達的操作任務。在對于OS/II內核代碼編寫過程中，主要應用的編寫語言為c語言，只需要對于部分有關代碼進行語言編寫，就能夠保證處理器能夠對于編寫語言進行識讀。OS/II設計之前，就已經對于OS/II所具有的移植特特征，所以OS/II移植在進行嵌入式設計上面要遠遠比實時性系統更加簡單。

OS/II移植是以硬件作為前提條件，這樣也就表示OS/II移植需要受到一定限制條件的控制。首先，設計人員在對于編譯器設計過程中，需要讓編譯器能夠重復性輸入。其次，處理器在實際運行過程中，能夠進行定時性中斷。最后，編譯器在實際運行過程中，能夠通過c語言完成自身啟動與關閉的操作。

處理器需要將以上的全部限制條件全部滿足，這樣才能夠為OS/II移植奠定堅實的條件基礎。OS/II軟件內所具有的代碼區一共有四個，分別是移植、配置、ucos-ii、應用軟件。應用軟件內的代碼區也就是人們所說的程序開發區域，在OS/II代碼區內核心代碼為ucos，主要作用是完成對于移植任務的構建，同時還能夠對于任務進行調節及刪除。

3 結論

近幾年，伴隨著自然災害數量的增加，怎樣對于自然災害進行預防及檢測已經得到了社會各界的高度關注。多旋翼無人機與傳統無人機類別相比較，在實際應用中最為顯著的優勢主要表現在兩個方面，分別是垂直起落與空中懸浮。所以，多旋翼無人機特別適合應用到空間范圍有限及危險環境之下，對于有關任務進行執行。正是由于多旋翼無人機在實際應用過程中所具有的高效率與低危險，推動了多旋翼無人機的快速發展。本文在對于多旋翼無人機分析研究中，主要對于多旋翼無人機控制器進行設計，還存在一定不足，僅供參考。

[1]張垚,鮮斌,殷強,劉洋,王福.基于ARM處理器的四旋翼無人機自主控制系統研究[J].中國科學技術大學學報,2012,09:753-760.

[2]謝龍,韓文波.四旋翼無人機飛行控制系統設計研究[J].光電技術應用,2015,01:48-53.

[3]曹美會,鮮斌,張旭,文曦.基于視覺的四旋翼無人機自主定位與控制系統[J].信息與控制,2015,02:190-196+202.

[4]鮮斌,劉洋,張旭,曹美會.基于視覺的小型四旋翼無人機自主飛行控制[J].機械工程學報,2015,09:58-63.

[5]李杰,齊曉慧,韓帥濤,劉星海.小型四旋翼無人機飛行控制系統設計與實現[J].中國測試,2014,02:90-93.

Design of embedded autonomous flight control system for multi rotor UAV

Zhu Qiuhui
（Zhongshan Technician College，Zhongshan Guangdong，528400）

Based on the analysis of the study, the multi rotor UAV as the research object, according to the characteristics of the actual operation process without man-machine multi rotor in the design of the embedded autonomous flight control system, make various types of multi rotor UAV flying in the actual process, can be embedded autonomous flight control system management.

multi rotor UAV; embedded; autonomous flight; control system design