基于STM32的四軸飛行器設計

余亮 項平平

摘 要： 設計一種四軸飛行器。該飛行器由四片槳葉提供飛行升力，調節電機轉速控制飛行姿態與路徑。采用PIXHAWK2.4.8核心開發板，STM32處理數據，陀螺儀解算姿態，電調驅動無刷電機，實現電機轉速調節，控制飛行姿態，實現常規姿態飛行。

關鍵詞： 飛行器;PIXHAWK;STM32;無刷電機

中圖分類號： TP29-AD? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號

1 引言

四軸飛行器具有體積小、靈活度較高、操控簡單等眾多特點，應用前景廣闊 [1]。其未來可能發展成為新概念交通工具，或者用于安保以及高危環境作業等，普遍走進人們的日常生活之中。

2 系統總體分析

本設計以單片機STM32F427開發板為核心器件，STM32F103C8T6為系統I/O口，配合電阻電容等器件，完成最小系統搭建。其余模塊圍繞PIXHAWK開發板核心部分工作。開發板中具有諸多傳感器可供系統控制使用，主要包含128K非易失閃存FM25V01元器件，TXS0108通用電平驅動芯片，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運放， M8N傳感器，5V供電電源為等。硬件結構示意圖如圖1[2][3]。

3 硬件設計

系統開發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傳感器。處理單元由STM32F427VIT6（168 Mhz工作頻率、256KB RAM工作內存與2MB的flash閃存100Pin）與STM32F103C8T6故障保護協處理器構成，其具有四十八個引腳，用來控制輸入信號采集與輸出信號發射，其晶振頻率為24MHz。開發板中帶有多個傳感器，包括16位陀螺儀STL3GD20為整個系統提供實時角速度數據;14位加速度計電子羅盤STLSM303D測量飛行器加速度以及方向;MEASMS5611氣壓高度計起到測量飛行器飛行高度的作用;InvenSence MPU6000三軸加速度計/陀螺儀采集姿態變化。開發板硬件結構圖如圖2。

4 軟件設計

系統可由NuttX實時操作系統、中間件和飛行控制棧構成。NuttX操作系統可以完成對底層任務調度;中間件運行在操作系統上，操作系統為所有的設備驅動程序和uORB機制實現開發板內部異步通信。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估計和決策導航兩部分，決策導航部分通過判斷自身狀態與接收機指令，確定自身的工作模式;位置姿態估計是通過傳感器得到位置、姿態信息。據此控制部分才能既快又穩的達到期望位置姿態。執行控制器輸出部分由MIXER、執行器和PWM組成[4]。圖3是機體的兩坐標系，左側為慣性坐標系，右側代表物體三維空間坐標。。

四軸飛行器的姿態控制是解決其自身坐標系與地球坐標系之間的相對位置問題。因為地球對于飛行器而言過大，所以地球坐標系固定不變。設北、東、上三個方向建立三維坐標系R，另一個r坐標系為飛行器自身。用歐拉角和四元數等算法解算兩個坐標系之間的角位置關系。而姿態解算的歐拉角和四元數公式中的各個參數，都是由各個傳感器實時提供，其解算數據來自陀螺儀、加速度計和電子羅盤，將所有數據分析處理后，可換算成飛行器的相對位置關系和實時空中姿態。比如陀螺儀中的三軸加速度參數就可以由四元數算法解得飛行器當下姿態參數中的三個角度，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際過程中的零點漂移、溫漂等數據補償，再通過更深度的解算得到更加準確的姿態參數。

5 結語

通過對各類飛行器所需硬件搭建、軟件編程開發，完成飛行器復雜飛行過程中模型仿真，通過調試，實現了對四軸飛行器電機的實時控制，完成飛行器各個姿態運動，實現了其基本飛行功能。

參考文獻：

[1]程學功. 四軸飛行器的設計與研究[D].杭州電子科技大學，2013.

[2]祁芳超. 基于PIXHAWK的小型固定翼的飛行控制研究[D].沈陽航空航天大學，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計[J].傳感器與微系統，2011，30（08）：113-115+123.

[4]劉煥曄. 小型四旋翼飛行器飛行控制系統研究與設計[D].上海交通大學，2009.

基金項目：淮南師范學院2019年度“支持百名優秀學生課外科技實踐創新活動基金”項目--基于STM32主控四軸智能飛行器自動定點投放快遞的設計與應用