基于STM32微型四旋翼飛行器設計與實現

王磊

摘 要：文章主要研究基于STM32微型四旋翼飛行器的設計與實現，微型四旋翼飛行器具有小巧，靈活且造價比較低的特點，并且以STM32芯片為核心。整個飛行器的設計包括藍牙通信模塊，傳感器檢測模塊，控制器控制模塊，驅動模塊、電機執行模塊以及電源模塊。微型四旋翼飛行器的控制算法采用的是PID算法。PID控制算法是工業自動控制系統的基本控制方式。通過以上控制算法調整，可以實現微型四旋翼飛行器的平穩飛行。

關鍵詞：微型四旋翼飛行器；控制器；控制算法PID

中圖分類號：TN967.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0113-02

1 緒論

1.1 研究背景及意義

四旋翼飛行器也稱為四旋翼直升機，是由4個螺旋槳構成，4個螺旋槳呈十字形交叉分布。四旋翼飛行器采用垂直起降，大大降低了起飛和降落所需要的空間，具有非常好的飛行穩定性，缺點是飛行速度不快。所以大量運用于民間拍攝，森林火災的巡線以及電纜線路的檢修等等。本文研究微型四旋翼飛行器，能更大的節省四旋翼飛行器的造價，使它更便捷的服務社會。

1.2 本文主要研究內容

對于微型四旋翼飛行器的設計與實現問題，本文研究的主要內容如下：

第一章為緒論，介紹四旋翼飛行器的研究背景及意義。

第二章為微型四旋翼飛行器動力學模型的建立，簡單介紹坐標系的轉換。

第三章為微型四旋翼飛行器的硬件的選用，選用的基本硬件及其型號。

第四章為總結與展望，總結本文的基本內容以及不足和對未來的研究重點。

2 微型四旋翼飛行器動力學模型的建立

2.1 飛行原理介紹

微型四旋翼飛行器由四個電機構成。每一個電機上各帶一個螺旋槳。相對方向的兩個螺旋槳作為一組對槳。兩組對槳的旋轉方向相反。微型四旋翼飛行器是屬于欠驅動系統（Underactuated System），并且具有高度耦合的動態特性。如果飛行器一個螺旋槳轉速發生改變的情況下，將會產生至少3個自由度方向上的運動。

在圖1（a）中，兩對螺旋槳轉向相反。當4個電機轉速相同時，由低到高速度逐漸提升時。兩個螺旋槳的升力也升高，直到升力達到一定的值，這個值足以克服飛行器整體重量時，微型四旋翼飛行器便開始垂直上升；相反，如果4個電機轉速下降時，微型四旋翼飛行器便開始下降，然后落地。當兩個螺旋槳產生的升力正好等于無人機（UAV）本身的重量時，此時，這個飛行器處于懸停狀態。

在圖1（b）中，保持電機1和3轉速不變，增加電機2的轉速，降低電機4的轉速，此時，因為螺旋槳2的升力上升，螺旋槳4升力下降，產生不平衡力矩，這個不平衡力矩使得飛行器繞機身的Y軸旋轉；當降低速度電機2，增加速度電機4，飛行器則繞機身Y軸向另一方向旋轉，這就是飛行器的俯仰姿態控制。

在圖1（c）中，當保持電機2和4的轉速不變，僅僅改變電機1和3的轉速時，則可使飛行器繞機身X軸轉動，實現飛行器的滾動姿態控制。

在圖1（d）中，當增加電機1和3轉速，降低電機2和4轉速時，當對槳（1，3）對機身的反扭矩大于對槳（2，4）對機身的反扭矩時，飛行器便在這種扭矩差的作用下繞機身Z軸旋轉，實現飛行器的偏航控制[1]。

2.2 參考系的建立與轉換

置身于空間中的飛行器有俯仰、滾轉、偏航、垂直、橫向運動這六個自由度的運動，要研究機體運動規律建立模型，不僅需要確認機體每一時刻的空間坐標位置，還要描述機體自身的機械運動[2]。

（1）地面坐標系

地面坐標系，也稱地軸系即OnXnYnZn。坐標原點預選為地面上的飛行器的起飛點。X軸指向正北；Y軸指向正東；Z軸的方向由右手法則確定，確定出Z軸方向為垂直于X軸與Y軸確定的平面指向地心。由此可知，地軸系也可稱為“北-東-地”。

（2）機體坐標系

機體坐標系，即ObXbYbZb。該坐標系與飛行器固連。坐標系原點位于質心；X軸方向指向飛行器的機頭方向；Y軸垂直于飛行器X軸方向指向機身右側；Z由右手法則確定，Z軸方向確定為垂直于X軸與Y軸所確定的平面指向地面。

飛行器的姿態角包括三個歐拉角，即俯仰角θ、滾轉角Φ、偏航角Ψ，定義如下：

俯仰角θ：定義為機體系與地平面的夾角。

滾轉角Φ：定義為機體系Zb軸與機體系Xb軸所確定平面的的夾角。

偏航角Ψ：定義為機體系Xb軸投影在地平面上時，Xb投影線與地軸系Xn軸的夾角。

當地面坐標系與機體系坐標系原點重合時，地軸系Zn軸轉動Ψ角度的轉換矩陣為：

再繞Y軸轉動θ角度的轉換矩陣為：

再繞Y軸轉動θ角度的轉換矩陣為：

最后繞X軸轉動Φ角度可得：

以上矩陣都具有正交性，具有可逆性。

3 微型四旋翼飛行器的硬件選用

3.1 控制系統的總體設計

（1）控制器控制模塊。主要功能是處理反饋的信號，與目標值進行比較得出誤差值，然后采取相應的控制方法，發出控制信號調理電機速度。設計中采用STM32F103C8T6處理器，它是時鐘為56MHz時為1μs（時鐘為72MHz為1.17μs）。滿足系統的要求。

（2）驅動模塊。采用SOT-23封裝的MOSFET，對驅動電壓進行脈寬調制（PWM）。PWM按一定的規則，調制各脈沖的寬度，從而達到改變輸出電壓的大小和輸出頻率。

（3）傳感器檢測模塊。采用MPU6050的陀螺儀和加速度計測量俯仰角（Pitch）和滾轉角（Roll）de 穩定。采用HMC5883L磁強計測量，可以測量偏航角的穩定（Yaw）。采用GPS模塊，測量位置的穩定。采用MS5611氣壓傳感器輔助GPS定位。endprint

（4）執行模塊。執行模塊為飛行器，其中主要的執行器件為空心杯電機，其微型電機型號為6*12MM驅動空心杯電機。

3.2 控制算法PID

在工業控制系統中，其一般控制規律為

總體來說，PID控制器的各個環節作用有這三個方面：

（1）比例環節（P）：反映了控制系統的信號e成比例的變化，如果存在誤差，誤差會成比例的變化，反映誤差，比例控制不能消除誤差[5]。

（2）積分環節（I）：積分的作用主要是通過積分的作用通過對上下震蕩的誤差來減小誤差，積分作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，可以減小震蕩[5]。

（3）微分環節（D）：主要作用是提前給信號一個預判，預先處理信號，加快動態響應速度，減少系統的調整時間，使控制系統的穩定性提高[5]。

4 結束語

通過這次微型四旋翼飛行器的設計，我學到了很多東西。首先介紹了本文的研究背景及意義，然后再介紹飛行的原理以及動力模型的坐標變換等，最后是硬件搭建。本文只是粗淺的介紹些微型四旋翼飛行器的基本構成，不夠深入，還很欠缺。希望今后能在模糊控制和魯棒控制上多多學習研究。中國的無人機已經發展到相當快的地步，如深圳市大疆創新科技有限公司做出許多無人機，差不多占據全球小型無人機約50%的市場份額。而中國傾轉旋翼飛行技術也在逐步發展，如國產的“藍鯨“四傾轉旋翼機。

參考文獻：

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[2]趙金亮.微型四旋翼飛行器控制方法研究及控制器設計[D].遼寧工業大學.

[3]江哲.基于STM32的四旋翼飛行器的設計與實現[D].華東理工大學，2015.

[4]齊書浩.微型四旋翼飛行器的總體設計及其運動控制[D].上海交通大學，2013.

[5]于海生.計算機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2007：101-117.

[6]王偉，馬浩，孫長銀.四旋翼飛行器姿態控制系統設計[J].科學技術與工程，2013，19（7）：5513-5518.

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