基于STM32單片機的無人機飛行控制系統設計

【摘要】本文首先分析了無人機飛控系統工作原理，并以STM32單片機為基礎平臺，提出了飛行控制系統的設計方案、捷聯導航系統。希望通過本文的研究可以進一步推動我國在自主研發無人機飛行控制系統方面的發展。

【關鍵詞】飛行控制系統;單片機;無人機;工作原理;設計方案

引言：無人駕駛飛機自上世紀30年代發展至今，在各個領域的應用愈發廣泛，如違建查處、高壓巡線、農藥噴灑、森林防火等，極大的拓展了人類生產生活范圍，引領人類進入了全新的無人機時代。同時，對無人機飛控系統的要求也日益提升，從目前主要趨勢看，正在朝向小型化、智能化方向發展。本文主要研究的是，建立在STM32單片機基礎上的新型無人機飛行控制系統。

一、無人機飛控系統工作原理

無人機飛控系統工作原理為：如果飛機發生偏離，此時，系統內部敏感元件會及時感受到飛機具體的偏離方向、角度，以信號的方式進行輸出，而后通過放大、計算等處理過程，對各個機構進行操縱，如舵機，從而達到讓方向舵面偏轉的目的。以往飛行自動控制系統中，需要使用到相關參數用來描述飛機運動狀態，其中使用到了姿態角、角速度、線速度，此外，還有線位移、氣流角。在無人參與情況下，飛行自動控制系統可以自動控制這幾個參數。該控制系統屬于數字式控制，必須將傳感器輸出信號的模擬信號進行及時轉換，才可以實現飛機的自主控制[1]。

二、飛行控制系統總體方案設計

所謂的飛行控制系統，主要指的就是建立在飛行控制計算機基礎上的，融合機載傳感器、伺服舵機、地面測控、配電，各項資源統一調度分配，且可以實現相互運作的數字式控制系統。而本文的研究，主要的目的就是設計出一個數字化、小型化無人機飛行控制系統，同時，這種系統不需要較高成本，但卻可以更好的為無人機飛行狀態測量、控制律解算等工作提供高質量的服務。其中，主要的核心飛控計算機是STM32F103VE微控制器，與此同時，將傳感器、電源模塊、數據采集系統以及飛控計算機設計到同一主控電路板上，主要目的就是為了實現小型化，進而縮小飛控系統空間。

（一）機載飛控系統

飛控計算機、電源模塊、GPS模塊是機載飛控系統的重要組成部分，此外，還有數傳電臺、傳感器數據采集系統等。綜合分析機載飛控系統，其主要功能就是：1、上傳控制指令和控制律參數，這一過程是依賴于數據鏈路的作用，進而實現無人機導航、飛行狀態信息的傳達。2、在數字傳感器的作用下，如三軸磁強計、三軸陀螺、三軸加速度計等，可以實現實時、高精度的數據采集，與此同時，也可以結合實際情況預留相應的數字或者模擬接口，方便后續擴充傳感器使用。3、機載飛控系統不僅可以實現手動，還可以實現自動切換，手動功能主要服務于研制初期的手控飛行試驗，而自動則可以滿足自主飛行時的突發情況應對需求。4、無人機的姿態、自主飛行等模式，在機載飛控系統作用下可以實現控制律的解算。5、機載飛控系統中的電源模塊，保證穩定輸出電平，從而更好的滿足各個模塊使用需求。6、通過濾波、解算傳感器信息的過程，最終獲得無人機較為精準的導航信息，比如無人機的姿態、飛行速度/方位等情況。

（二）地面測控系統

地面測控系統涵蓋了數傳模塊、測控計算機，此外，還有發射機、地面監控主界面，該系統可以借助數據鏈路，向機載飛控系統發送控制指令、控制參數，不僅如此，也能夠第一實時接收飛控系統有關參數信息，及時掌握具體情況。地面測控系統發送手動遙控信號主要是利用發射機實現的。其中，地面站軟件部分，需要展現出人機界面，讓人清晰的看到導航信息，進而完成人機交互。在地面測控系統中，需要具備記錄飛行數據的功能。并能夠在線完成控制律參數的調試。

三、基于單片機的捷聯導航

若想實現無人機飛行控制，最為重要的就是獲取到精確的飛行姿態、飛行速度、飛行位置等導航信息，所以，高效、精準、易實現的導航算法是其中的重點。在本次研究中，主要對象是無人機捷聯導航算法，這其中涉及到了一些傳感器，比如磁強計、微機械陀螺、加速度計等，在這些傳感器應用基礎上，又引入了數學平臺相關構件，組建了導航參數測量系統。在此基礎上，通過運用氣壓計、GPS等推算出飛機的速度、位置等信息。通常情況下，會利用信息融合方法達到獲得精準導航信息的目的。但是依托單片機平臺下的導航濾波算法，在研究過程中，需要構建出傳感器的誤差模型，同時，為了補償姿態誤差，可以借助濾波，通過相應的組合方式，實現對剛體加速度不良影響的合理控制。此外，對于姿態的評估，需要運用分級式的組合方法，利用速度和位置卡爾曼濾波器，解析GPS輸出的信息，最終完成無人機速度、位置的解算。

結束語：總而言之，建立單片機基礎上，構建的無人機飛行控制系統，通過本文的有關研究不難發現，由于無人機系統本身具有非常強的復雜性，并且其中涉及到了很多方面的工作銜接，但是此次研究實踐中，只是利用了一片STM32F103VE微控制器作為飛控計算機，此種情況下，一旦遇到相對復雜的運行算法，難免會出現一些問題，因此，還需要進一步研究，不斷地完善，但依然希望通過本文的分析可以為無人機飛行控制系統設計提供參考與借鑒，推動無人機發展，造福人類。

參考文獻：

[1]胡慶.基于STM32單片機的無人機飛行控制系統設計[D].南京航空航天大學，2019，67（23）：123-124.

[2]尚何章.小型無人機飛行控制系統硬件設計與實現[D].南京航空航天大學，2018，61（012）：124-125.

作者簡介：聶芳，男，漢族，籍貫：四川眉山生于：1982-07，工作單位：四川大學錦城學院，單位省市：四川省成都市，單位郵編：610000，職稱：講師，碩士學歷，研究方向：主要從事單片機嵌入式。