基于STM32的航拍偵查四旋翼飛行器設計

常猛　汪洋　徐伯樂　孟康

摘 要：基于STM32的航拍偵查四旋翼飛行器設計，可以用于森林防火防盜巡邏、電力巡檢等方面，減少了人工投入，從而使企業利益最大化。同時也減少了維護人員身體受傷的可能性，因此以四軸飛行器為平臺的遠程圖像勘測就變得非常受青睞。四軸飛行器作為無人機的一種，能夠垂直起落、空中懸停，適用于各種飛行速度與飛行剖面，具有靈活性高、安全性好、便于控制、體積小等眾多優勢，同時還能攜帶多種小型設備。本項目通過對四旋翼飛行器進行研究，分析其結構特點、飛行原理，設計合適的飛行方案，從而完成航拍勘察。

關鍵詞：STM32; 傳感器; 四軸飛行器：圖像傳輸

四軸飛行器作為一個最優秀的搭載平臺打破了地域和環境的限制，大大減少了人們在電網以及森林檢測等一系列方面的重大投入，極大地降低了企業和個人的生產和安全成本，也為邊遠地區的安全與檢測提供可能。

1 系統總體設計

飛行器的基本原理是根據遙控器接收到的的信號進行處理，然后作用到四個電機上，再通過PID算法進行調節使其能夠平穩飛行。

本設計以STM32單片機最小系統為基礎，由GY-86姿態傳感器，光流模塊、攝像頭、圖傳模塊、24C02存儲模塊、超聲波模塊、激光模塊、遙控模塊等8部分組成。

單片機是整個系統的核心，遙控器控制飛行器飛行，GY-86對飛行器進行角速度，加速度進行測量再通過姿態解算算出飛行器的三個角，最后通過PID算法來調節使飛行器實現平穩飛行。

激光模塊進行高度測量，調節電機輸出使其飛行在一定高度，光流模塊對飛行器進行位置調節使其穩定在某一點，攝像頭對周圍環境進行拍攝，圖傳把攝像頭拍到的圖像進行回傳。

飛行器是一個集合多種傳感器的綜合性能的平臺，并對這些數據進行處理分析結合相應算法從而達到平穩飛行的目的。

1.1主控單元

本項目以STM32F407ZGT6作為主控芯片，該芯片頻率高達168MHz，并且超頻可以達到200MHz，運行速度碾壓同類產品，它搭載在UCOSII操作系統上，可同時掛載256個任務，提升了各模塊兼容性。

1.2姿態解算

飛行器控制器要能夠采集處理微型 MEMS 慣性器件和三維地磁傳感器的數據，通過姿態融合算法計算出飛行器的姿態角，并根據飛行指令和任務要求，結合相應的算法給出適當的控制信號，控制飛行器的執行機構，來達到控制飛行器的目的。本項目通過若干個串級PID算法來調節四個電機轉速進而改變升力，從而控制飛行器的姿態和位置。

1.3遙控單元

遙控器端單片機通過采集操作桿ADC值，經過2.4G發射模塊發送到飛行控制板端。遙控器端可以通過按鍵來完成功能設置和參數調節等操作，蜂鳴器用作遙控電池低電壓報警。

1.4圖傳模塊

圖像傳輸選用5.8G圖像傳輸技術TS835模塊，傳輸距離可達2公里遠，而且小巧靈活能夠很容易的搭載在飛行器上面，并且回傳畫面清晰，因此可以通過觀察遠程回傳的圖像來控制飛行以及對周圍環境進行勘察。

1.5光流模塊

ATK-PMW3901是ALIENTEK 推出的一款超輕多功能低功耗光流模塊（以下簡稱光模塊），此模塊集成一個高精度低功耗光學追蹤傳感器 PMW3901 和一個高精度激光傳感器 VL53LXX（2m 版本使用VL53L0X， 4m 版本使用 VL53L1X，以下VL53LXX）， PMW3901光流傳感器負責測量水平移動，VL53LXX 激光傳感器負責測量距離，抗干擾能力更強。

1.6電源模塊

電池采用鋰離子電池作為電源，并設計出可充電接口和電源變換電路，以此來完成充電與其他模塊的供電功能。

1.7執行單元

通過各個傳感器對周圍環境進行測量，經過濾波，再通過姿態解算得到姿態角，通過單片機進行PID調節把角偏差信號轉換成PWM信號，通過電調傳給電機，從而調節電機轉速使飛行器平穩飛行。

2 結論

本設計通過多種傳感器的結合到飛行器上使飛行器能夠完成復雜的飛行任務，并能夠實現定高、定點、圖像回傳等任務，是現代工業的產物。能夠對復雜的周圍環境進行勘察，從而減少了人力物力的投入，且能夠產生豐厚的社會效益和經濟效益。

參考文獻

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