基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计

【摘要】本文首先分析了无人机飞控系统工作原理，并以STM32单片机为基础平台，提出了飞行控制系统的设计方案、捷联导航系统。希望通过本文的研究可以进一步推动我国在自主研发无人机飞行控制系统方面的发展。

【关键词】飞行控制系统;单片机;无人机;工作原理;设计方案

引言：无人驾驶飞机自上世纪30年代发展至今，在各个领域的应用愈发广泛，如违建查处、高压巡线、农药喷洒、森林防火等，极大的拓展了人类生产生活范围，引领人类进入了全新的无人机时代。同时，对无人机飞控系统的要求也日益提升，从目前主要趋势看，正在朝向小型化、智能化方向发展。本文主要研究的是，建立在STM32单片机基础上的新型无人机飞行控制系统。

一、无人机飞控系统工作原理

无人机飞控系统工作原理为：如果飞机发生偏离，此时，系统内部敏感元件会及时感受到飞机具体的偏离方向、角度，以信号的方式进行输出，而后通过放大、计算等处理过程，对各个机构进行操纵，如舵机，从而达到让方向舵面偏转的目的。以往飞行自动控制系统中，需要使用到相关参数用来描述飞机运动状态，其中使用到了姿态角、角速度、线速度，此外，还有线位移、气流角。在无人参与情况下，飞行自动控制系统可以自动控制这几个参数。该控制系统属于数字式控制，必须将传感器输出信号的模拟信号进行及时转换，才可以实现飞机的自主控制[1]。

二、飞行控制系统总体方案设计

所谓的飞行控制系统，主要指的就是建立在飞行控制计算机基础上的，融合机载传感器、伺服舵机、地面测控、配电，各项资源统一调度分配，且可以实现相互运作的数字式控制系统。而本文的研究，主要的目的就是设计出一个数字化、小型化无人机飞行控制系统，同时，这种系统不需要较高成本，但却可以更好的为无人机飞行状态测量、控制律解算等工作提供高质量的服务。其中，主要的核心飞控计算机是STM32F103VE微控制器，与此同时，将传感器、电源模块、数据采集系统以及飞控计算机设计到同一主控电路板上，主要目的就是为了实现小型化，进而缩小飞控系统空间。

（一）机载飞控系统

飞控计算机、电源模块、GPS模块是机载飞控系统的重要组成部分，此外，还有数传电台、传感器数据采集系统等。综合分析机载飞控系统，其主要功能就是：1、上传控制指令和控制律参数，这一过程是依赖于数据链路的作用，进而实现无人机导航、飞行状态信息的传达。2、在数字传感器的作用下，如三軸磁强计、三轴陀螺、三轴加速度计等，可以实现实时、高精度的数据采集，与此同时，也可以结合实际情况预留相应的数字或者模拟接口，方便后续扩充传感器使用。3、机载飞控系统不仅可以实现手动，还可以实现自动切换，手动功能主要服务于研制初期的手控飞行试验，而自动则可以满足自主飞行时的突发情况应对需求。4、无人机的姿态、自主飞行等模式，在机载飞控系统作用下可以实现控制律的解算。5、机载飞控系统中的电源模块，保证稳定输出电平，从而更好的满足各个模块使用需求。6、通过滤波、解算传感器信息的过程，最终获得无人机较为精准的导航信息，比如无人机的姿态、飞行速度/方位等情况。

（二）地面测控系统

地面测控系统涵盖了数传模块、测控计算机，此外，还有发射机、地面监控主界面，该系统可以借助数据链路，向机载飞控系统发送控制指令、控制参数，不仅如此，也能够第一实时接收飞控系统有关参数信息，及时掌握具体情况。地面测控系统发送手动遥控信号主要是利用发射机实现的。其中，地面站软件部分，需要展现出人机界面，让人清晰的看到导航信息，进而完成人机交互。在地面测控系统中，需要具备记录飞行数据的功能。并能够在线完成控制律参数的调试。

三、基于单片机的捷联导航

若想实现无人机飞行控制，最为重要的就是获取到精确的飞行姿态、飞行速度、飞行位置等导航信息，所以，高效、精准、易实现的导航算法是其中的重点。在本次研究中，主要对象是无人机捷联导航算法，这其中涉及到了一些传感器，比如磁强计、微机械陀螺、加速度计等，在这些传感器应用基础上，又引入了数学平台相关构件，组建了导航参数测量系统。在此基础上，通过运用气压计、GPS等推算出飞机的速度、位置等信息。通常情况下，会利用信息融合方法达到获得精准导航信息的目的。但是依托单片机平台下的导航滤波算法，在研究过程中，需要构建出传感器的误差模型，同时，为了补偿姿态误差，可以借助滤波，通过相应的组合方式，实现对刚体加速度不良影响的合理控制。此外，对于姿态的评估，需要运用分级式的组合方法，利用速度和位置卡尔曼滤波器，解析GPS输出的信息，最终完成无人机速度、位置的解算。

结束语：总而言之，建立单片机基础上，构建的无人机飞行控制系统，通过本文的有关研究不难发现，由于无人机系统本身具有非常强的复杂性，并且其中涉及到了很多方面的工作衔接，但是此次研究实践中，只是利用了一片STM32F103VE微控制器作为飞控计算机，此种情况下，一旦遇到相对复杂的运行算法，难免会出现一些问题，因此，还需要进一步研究，不断地完善，但依然希望通过本文的分析可以为无人机飞行控制系统设计提供参考与借鉴，推动无人机发展，造福人类。

参考文献：

[1]胡庆.基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计[D].南京航空航天大学，2019，67（23）：123-124.

[2]尚何章.小型无人机飞行控制系统硬件设计与实现[D].南京航空航天大学，2018，61（012）：124-125.

作者简介：聂芳，男，汉族，籍贯：四川眉山生于：1982-07，工作单位：四川大学锦城学院，单位省市：四川省成都市，单位邮编：610000，职称：讲师，硕士学历，研究方向：主要从事单片机嵌入式。