基于stm32控制器的四轴无人机的原理与设计

陈昕迪 陈亦欣 柳然

【摘 要】四轴无人机是一种可垂直起降的小型飞行器设备，属于多轴飞行器的一种。由于结构简单，有着较好的稳定性，易于设计和搭建。本文使用stm32控制器与相应传感器结合，设计了一套四轴无人机飞行系统。

【关键词】stm32；多轴无人机；X型

一、四轴无人机的基本原理

1.四轴的结构与飞行原理

由于四轴无人机结构上对称的特点，为区分无人机飞行方向的前端，四轴无人机有十字型和X型两种设计方法。这里，我们为了所设计无人机的实用性和后期研究，本次设计选择了X型的设计。

和传统飞行器类似，四轴无人机也存在着俯仰、翻滚等飞行姿态，但它的基本的飞行是靠四个末端的旋翼产生升力维持的。在依靠旋翼提供升力的飞行器中，由于旋翼旋转会给飞行器本身带来反桨矩，所以像是直升机一类的飞行器需要尾翼上的旋翼来平衡这一力。但四轴无人机不然，其四个旋翼高度对称，并保持在同一水平面，对称的旋翼两两旋转方向相同，并与另外一对旋翼旋转方向相反。这样一来，就有了一对正桨和反桨之分，两者产生的反桨矩相互制约，因此达到了维持无人机稳定的效果。

2.无人机姿态控制原理

依靠四个轴旋翼转速变化带来升力大小的改变，当旋翼产生的升力大于无人机的重力时无人机就能完成升高动作，而小于无人机重力时就可以完成下降的动作。

飞行时姿态的控制则是通过控制四个轴方向上倾角的不同来实现的。对于四轴无人机的一对正反桨而言，它们相互制衡保持平衡，但每一对桨本身也有着水平上的配合，当其中一个桨提供更大的升力时，无人机就会在这个方向上产生一定的倾角，升力越大倾角越大，使飞行器产生姿态上的改变。这时，同时增大四个旋翼的升力，就能使无人机产生在该倾角方向上的运动。

由于反桨矩的存在，当我们改变正桨或反桨的转速时，正反桨的平衡被打破，无人机就会向相应力矩差的方向旋转，改变了飞行的方向，做出偏航运动。

二、四轴无人机的设计

1.简介

本次无人机的设计主要基于已有的模块化系统，由控制器、传感器、动力部分组成。采用X型结构，有利于直观的空着和飞行。使用组件构成的模式也便于后期增加其它功能，做更深入的研究。

2.控制器

控制器设计采用stm32f407芯片，其较高的主频能满足飞行控制运算所需的要求，同时又有着低功耗、接口通用、开发效率较高等特点，有着较多的开发文档和资源，利于后期开发和测试，相较于其他架构的控制器芯片有着较高的性价比。在设计中，我们利用该控制器进行姿态解算，结合传感器的数据，计算得到四元数，继而转换为欧拉角作为PID的输入。

3.控制算法设计

实际飞行环境中，各旋翼的动力输出状态和外界影响较为复杂，控制器输出的控制信号并不能毫无差错的反应到无人机姿態上。因此，四轴无人机还需要利用传感器实时监测其姿态信息。继而通过控制器处理传感器提供的数据，相对应的修正控制信号，来保证无人机姿态的稳定。

我们这次选用的MPU6050传感器就是一个集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器的集成传感器。它通过测量角速度、加速度，将其积分，由此得到无人机姿态角和速度。传感器在得到这些状态信息后将信息提供给我们选择的控制器，交由控制器进行相应的姿态解算。

由于MEMS陀螺仪本身精度的问题，随着运行时间的增长，其运算得出的数据会产生一定的误差。而MEMS加速度计也会受到环境本身的影响。单独使用某一部分的数据都会造成最终实际结果的偏差。因此，为了结合多个数据，我们使用了四元数互补滤波算法作为融合算法，对传感器采集到的数据做整合。使用互补滤波器将陀螺仪输出的信号做高通滤波，而对加速度计做低通滤波，这一过程中的四元数矩阵就是通过上述过程中纠正过的姿态角的来的。最后将数据装换成欧拉角来描述无人机姿态。通过这样一个过程来纠正偏差，提高获取姿态信息的精度。保证无人机飞行的稳定。

4.动力系统

基于四轴无人机飞行姿态稳定的的需要，为了及时反馈控制器的控制信号，其对动力系统中旋翼马达转速和响应速度有着较高的要求。因此，我们选择了靠电子调速器控制的无刷直流电机，它有着响应速度快，转速变化范围大的特点。而电机的转速由电调输出的pwm占空比来调整。

三、总结

本文围绕四轴无人机的原理与应用设计了基于stm32控制器的无人机系统。无人机各组件工作正常，实现了四轴无人机的悬空、垂直升降、前后运动，翻滚偏航等基本动作。控制系统的设计降低了人为控制中的无人机姿态不稳的问题，提高了无人机使用的可靠性。也为后续在stm32无人机平台上增加新功能与研究打下了基础。

【参考文献】

[1] 谢龙，韩文波.四旋翼无人机飞行控制系统设计研究[J].光电技术应用，2015（1）：48-53.

[2] 祁芳超.基于PIXHAWK的小型固定翼的飞行控制研究[D]. 沈阳航空航天大学，2017.