STM32嵌入式平台下四旋翼飞行器模型研究

李成勇

(重庆工程学院 电子与物联网学院，重庆 400056)

0 引言

20世纪90年代之后，随着微机电系统研究的成熟，仅几克重的惯性导航系统被研制出来，使得多旋翼飞行器的自动控制器成为可能。但是传感器数据噪音很大，直到2005年左右真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。2010年，法国Parrot公司发布了世界上首款流行的四旋翼飞行器AR.Drone。AR.Drone的流行让四旋翼飞行器开始广泛进入人类社会。2012年2月，宾夕法尼亚大学的Vijay Kumar教授在TED上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲。

许多灾情场合人工操作对抢救人员带来了非常大的安全隐患，如火灾现场、煤炭瓦斯事故现场等[1]。这些场合由于灾情不明确，救援人员不能贸然到现场，只有在短时间掌握灾情现场确定的人员情况、具体位置等，救援人员才能以最小的伤亡处理灾情现场。近年来，无人机逐渐出现救援现场，由于这种小型飞机是无线控制，救援人员不需要提前进入火灾现场，通过无人机遥控，短时间掌握火灾现场情况，包括火势分布、大小和人员具体位置等，然后根据火灾现场情况，制定救援计划，避免因灾情不明确导致不必要的损失。但目前无人机技术还需要完善，包括控制芯片水准等，不能达到预定目标[2]。通过分析多种无人机设计方案及控制器选择，制作了四旋翼飞行器模型，主要功能是自主飞行、高空悬停及距离预警。通过手机遥控，可以准确地按指定路线飞行，在必要的空中位置悬停，进行现场数据采集，遇到障碍物到一定距离发出报警，调整飞行方向，可以适用于特殊现场的情况收集。

1 系统总体设计

1.1 方案设计

采用Arduino Genuino Mega为控制芯片，其比51系列单片机最大优势在于I/O比较多，本系统设计需要多路数字输入/输出口，而Arduino Genuino Mega适合需要大量IO接口的设计，但不能满足实现本装置的精度和运行速度要求[5]。

采用STM公司生产的嵌入式STM32f103T8U6 MCU板为主控芯片，此单片机运算功能强、可用的编程软件多、可选择性大、飞控代码基于MWC、稳定简洁、便于开发。STM32系列嵌入式芯片具有ARM Cortex-M3内核，内部资源丰富，I/O口最多可达112个，有多种通信方式，可以自由扩展外部接口电路，资源使用方便[6-7]。因此本系统选择嵌入式STM32进行实验操作及模型搭建。

四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨的形状是十字形交叉，每个螺旋桨有独立的电机单独驱动，其螺旋桨支架结构如图1所示。

图1 四旋翼飞行器结构示意

当飞行器处于飞行状态时，螺旋桨以支架为中心，相对螺旋桨以正向转动，相邻螺旋桨反向转动，这样飞行器以垂直方向上升，同时可以通过电机转停时间长短来控制螺旋桨速度的增加或减小。所以飞行器的悬停、俯仰等各类运行轨迹动作是通过改变4个螺旋桨的运动方向和速度产生。

1.2 硬件系统与实现

四轴飞行器采用传感MEMS分支，用敏感元件(电容、压电和热电偶等)来感受转换电信号的器件和系统。自助飞行器的结构拥有均匀性、对称性、稳定性三大特征。要求材料的质地均匀、架构对称、连接牢固且在起飞和着陆时机架有抗抖、抗击能力，机身支架采用薄而轻的硬质塑料。飞行器的硬件组成如图2所示，主要包括角速率陀螺、超声波传感器、微处理器、陀机控制接口和有效电源。

图2 飞行控制硬件组成

1.2.1 陀螺仪

陀螺仪主要用于飞行器保持平衡，陀螺仪的测量物理量是偏转、倾斜时的转动角速度。陀螺仪实际上等于3个角速度传感器，内部通过MENS工艺做出了一个参考坐标系[8]，当芯片的坐标相对参考坐标发生旋转时，芯片会督促这个差异。因此，测量XYZ轴线的倾角变得可以实现。利用陀螺效应，感知陀螺仪中陀螺的相对方向，经过嵌入式控制器处理与初始状态比较感知陀螺的方向，可以对飞机等的运动方向进行感知[9]，如有偏航可以立刻对制动系统发出指令进行修正，本系统采用MPU6050，三轴陀螺仪，自带DMP四元数输出，内部拥有温度补偿。

1.2.2 控制系统

再后来，潘际銮退休了，退休后重新开始招博士生，重新组建自己的团队，把他昔日的老部下召集到一起，一群八九十岁的人带着一群年轻人，在清华大学机械工程系的焊接馆里发光发热。

四旋翼飞行器的控制系统分为两部分：飞行器控制系统与航模电机调速系统，飞行控制系统主要功能作用是检测飞行姿态，其由加速度传感器和陀螺传感器组成的IMU惯性测量单元实现。飞行器控制控制螺旋桨上的电机是通过I2C总线通信[10]。飞行姿态是4个直流电机转速大小及方向来确定。飞行器控制要能够通过采集处理微型MENS惯性器件和三维地磁传感器数据，计算飞行器姿态角和航向角[11]。航模电机是一个性能稳定、效率高和无干扰的电机，航模电机的运行图如图3所示。

图3 航模电机运行原理

1.2.3 加速度传感器

通过改变电机转动时间长短来控制速度，速度增加或者减小测量是加速度传感器来实现，一般的加速度传感器是纳米材料制作，工艺精良，采用压电效应得到对应的物理量，可以等效测量的电压值。本方案中加速度采用的是内置IC电路压电的Mpu6050型加速度传感器，其产生的电压信号与振动量成正比。

1.3 软件设计

四旋翼飞行器在起飞、降落时，需要加速或减速。控制则需要调节PWM信号占空比，飞行时如果加速度太大会因短时间内冲量过大对机身造成伤害，为防止伤害则需匀变速缓冲，使飞行器能够平稳的加速或减速。四旋翼飞行器主程序流程图如图4所示。

图4 四旋翼飞行器主程序流程

说明：系统采用TIM4定时器产生1 ms定时基石，定时中断中对判断标志位进行累加。从而定时各个时间段进行传感器数据获取、遥控指令和电机控制等。

本方案中程序控制采用STM32嵌入式系统固件库思路，未采用寄存器控制方式，固件库模式对PWM调制很好应用，有灵活的外设端口，采集数据端口及多个通信接口，可以直接调用，不需要单独编写代码，其中PWM调制采用特殊中断完成，执行效率高。

在本模拟调节系统中采用的是数字PID控制算法，具有较强的灵活性。PID控制算法的表达式为[12]：

(1)

式中，KP为PID控制比例；TI、TD都是一个时间常数，TI决定积分时间常数，TD决定微分时间常数；u(t)为PID控制的输出信号；e(t)为输入信号，其值是测量值减去预设值。

由于PID控制算法采用的是采样方法[13]，控制量是采样时刻的偏差值来计算。因此，在PID算法控制系统中，要对输出量做离散化处理，离散的PID表达式[14]：

(2)

因为PID算法原理简单、使用方便、适应性强，PID算法有一套完整的参数整定与设计方法，易于掌握[15]；本系统在控制策略的设计上采用了四轴PID控制算法，达到了很好的加载控制结果，PID的原理框图如图5所示。

图5 PID控制算法原理

2 测试结果与误差分析

2.1 飞行测试

通过不断试飞、数据采集，在不同的高度测试4个电机的不同PWM信号值，此值为飞行器起始值状态，如表1中所示。

表1 飞行器起始值状态

通道周期/ms占空比/%幅值/V通道1(ROLL)19.737.6053.64通道2(PITCH)19.287.7803.64通道3(THRO)19.737.6053.64通道4(YAW)18.618.0483.64

2.2 预警测试

据要求手持飞行器靠近小车，距离为0.5～1.5 m的预警结果如表2所示。

表2 预警测试结果

测试次数距离/m是否预警11.49是22.31否31.50是41.53否51.49是61.55否

通过表中数据对比可知，当有物体靠近飞行器时，距离在0.5～1.5 m范围内，都有警报声，超过1.5 m的距离时，传感器感应不到，不发出报警。飞行采集数据分析发现本系统出现以下不足：陀螺仪的控制掌握得不够熟练、控制不够稳定；实际测试和理论存在误差，补救措施不够完善。

4 结束语

本文提出的四旋翼自主飞行器探测跟踪系统，经过多次实验论证，采用STM32嵌入式作为控制芯片，辅助使用螺旋桨、压力传感器和陀螺仪等，实现了四旋翼飞行器在空中自由停放，在一定范围内遇到障碍物发出预警，避免出现事故。经过反复调试试验，本设计可行，且拥有简单操作、成本低的特点。

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