基于STM32的四旋翼無人飛行器..

1、專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)論文基于STM32的四旋翼無人飛行器15基于STM32的四旋翼無人飛行器摘要：針對四旋翼飛行器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32的微型飛行控制器。以新型 ARMCortex- M3內(nèi)核微處理器 STM32作為計(jì)算控制單元，對飛行控制器進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，包 括主控、慣性測量、執(zhí)行驅(qū)動等單元模塊。給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程，研究了一種基于互補(bǔ)濾波器的飛行姿態(tài)解算方法，實(shí)驗(yàn)表明控制器方案合理有效。關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；STM32飛行器控制器；信息融合；飛行控制A flight controller for quadcopter based on STM32Abstract:the pape

2、r, based onA micro flight con troller for quad-rotor based on STM32 was desig ned and impleme nted. The con troller worked with the n ew-fashi oned ARM Cortex-M3 micro processor STM32 as its calculati on and con trol un it. And the con troller was modularized as main unit, inertial measurement unit

3、and actuator unit.Inthe system software flowchart, method for calculatingthe flight attitudedistributed fusi on filter were proposed as well as the con trol law in allusi on to the property of quad-rotor. The experime nts show that the desig n of the flight con troller is effective and rati on al.Ke

4、ywords:Quadcopter;STM32; flight con troller; in formatio n fusi on; flight con trol;目錄1四旋翼飛行器簡介 62飛行控制器硬件設(shè)計(jì)72.1主控模塊72.2數(shù)據(jù)采集模塊 72.3遙控信號接收處理模塊 82.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動模塊 93飛行控制器軟件設(shè)計(jì)103.1軟件設(shè)計(jì)流程103.2控制方法104參考文獻(xiàn)13微型四旋翼飛行器是一種具有 4個對稱分布的旋翼、由電驅(qū)動、能垂直起降 的飛行器。具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。針對四旋翼飛行器，設(shè)計(jì)了一種基于STM32勺飛行控制器，其具有體積小、功耗低、硬件和軟件資

5、源 豐富，開發(fā)效率高、成本低等優(yōu)勢。STM32系列處理器是ST公司新推出的一款基于高性能、 低成本、低功耗要求 的嵌入式處理器，應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的 ARMCortex-M3低功耗高速內(nèi)核。STM32豐富 的片上資源可滿足各類傳感器通訊需求?；赟TM32勺飛行控制器與傳統(tǒng)的飛行控制器相比可大大降低系統(tǒng)的開發(fā)成本、節(jié)約資源。飛行控制器中姿態(tài)角解算應(yīng)用了互補(bǔ)濾波的思想，該方法在保證精度情況下克服了經(jīng)典卡爾曼濾波器計(jì)算負(fù)擔(dān)大的缺點(diǎn)，具有較大的理論和應(yīng)用價值。1四旋翼飛行器簡介四旋翼飛行器總體布局形式上屬于非共軸式碟形飛行器， 與常規(guī)旋翼式飛行 器相比，其結(jié)構(gòu)更為緊湊，能夠產(chǎn)生更大的升力。 通過控制4個旋

6、翼的轉(zhuǎn)速可 使飛行器實(shí)現(xiàn)各種飛行動作。四旋翼飛行器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示mi圖1四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)示意圖四旋翼飛行器的4只旋翼安裝于十字形機(jī)體的4個頂點(diǎn)位置，分為順時針旋 轉(zhuǎn)（1、3）和逆時針旋轉(zhuǎn)（2、4） 2組。當(dāng)4只旋翼轉(zhuǎn)速相等時，相互間抵消反扭 力矩；同時增加或減小4只旋翼的轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)上升或下降運(yùn)動；當(dāng)1號與3號旋 翼轉(zhuǎn)速增加（減?。?，2號和4號轉(zhuǎn)速不變，飛行器實(shí)現(xiàn)偏航。當(dāng)1號和3號 旋翼轉(zhuǎn)速固定，2號旋翼轉(zhuǎn)速增加（減小），4號旋翼轉(zhuǎn)速減?。ㄔ黾樱?，飛行 器實(shí)現(xiàn)向左（向右）飛行。當(dāng)2號和4號旋翼轉(zhuǎn)速固定，1號旋翼轉(zhuǎn)速增加 （減?。?號旋翼轉(zhuǎn)速減?。ㄔ黾樱w行器實(shí)現(xiàn)后退（前進(jìn)）飛行。2飛行

7、控制器硬件設(shè)計(jì)飛行器控制器要能夠通過采集處理微型 MEMS貫性器件和三維地磁傳感器數(shù) 據(jù)，計(jì)算飛行器的姿態(tài)角和航向角，并根據(jù)飛行指令和任務(wù)要求，結(jié)合相應(yīng)的控 制律給出適當(dāng)?shù)目刂菩盘枺刂骑w行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變飛行器的姿態(tài)和位置等。根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了飛行控制器，其中包括主控制模塊、數(shù)據(jù)采集 模塊、信號接收處理模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動模塊以及數(shù)據(jù)通訊接口。 飛行控制器中 選取STM32處理器作為主控芯片，硬件平臺總體結(jié)構(gòu)如圖 2所示。磁傳感器信號調(diào)理SPI電源 管理PPM按口GP10STM32l;CJTAGUART圖2飛行控制器硬件結(jié)構(gòu)無醫(yī)調(diào)0外設(shè)L 12.1主控模塊控制器的核心是主控制模塊，它

8、應(yīng)具有多路模擬信號的高精度采集能力；輸 出PWM脈沖控制信號能力；具有 PPM信號捕獲解碼能力；此外，還應(yīng)具有多 個通信信道、充足的負(fù)載伺服機(jī)輸出通道以及數(shù)據(jù)接口?？紤]到不同環(huán)境下調(diào)試的便捷性，主控模塊設(shè)計(jì)了 2種程序下載方案即JTAG 方式以及ISP方式，并預(yù)留了多個負(fù)載外設(shè)接口以滿足照相機(jī)等負(fù)載設(shè)備的控制 需求。2.2數(shù)據(jù)采集模塊為了提高飛行器控制可靠性，需要得到飛行器的俯仰和滾轉(zhuǎn)角作為姿態(tài)反 饋，形成閉環(huán)控制。為提高其飛行穩(wěn)定性，需加入角速率反饋以增加阻尼。飛行器的飛行姿態(tài)通過慣性測量單元來獲取，包括3只MEMS陀螺儀、三軸加速度傳感器和全向磁場傳感器以及最高精度達(dá) 15cm的靜壓高度計(jì)

9、。 飛行器位置信息通過定位系統(tǒng)獲取。傳感器原理圖如下:1TrtFJ Q.1廠 - -:4-g-VEQ PFGND沁4K-PASO t：LK圖3傳感器模塊控制器中選用MPU6050作為三軸加速度計(jì)和三軸角速度傳感器。加速度計(jì) 和角速率陀螺通過IIC接口與處理器進(jìn)行通訊。2.3遙控信號接收處理模塊如圖4：1 . AIL:副瑕【第1通固-2. ELE：升降能（第2通道）-3. THR；油門（第3通道）-4. RUC：方向fit（第4通道）-5. GRY：起落架（第呂通道）-6. PIT：螺距（報(bào)通道廠輔助通道（第？通道）任巨酒道均可件為電at KLUJ如Ei sQf-rJ-l 宅圖4接收機(jī)設(shè)計(jì)中采用

10、了直接購買的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。發(fā)射機(jī)通過 2.4G的免費(fèi)頻段發(fā) 送PPM信號，接收機(jī)接收到信號之后，解碼成 PWM信號傳給主控模塊，再有 主控模塊結(jié)合采集的傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的控制。2.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動模塊由于四旋翼飛行器要實(shí)現(xiàn)自主懸停的關(guān)鍵是需要飛行器在傾斜時能在最短 的時間內(nèi)回到平衡位置，這就要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠快速反應(yīng)，即能迅速地增大或減 小轉(zhuǎn)速。針對四旋翼飛行器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中選用了無刷電機(jī)，無刷電機(jī)需要配以無 刷電調(diào)使用。常見商品電調(diào)采用的是 PPM信號，周期為20ms。3飛行控制器軟件設(shè)計(jì)3.1軟件設(shè)計(jì)流程本控制器的軟件部分采用 c語言編制，主要完成硬件平臺初始化、數(shù)據(jù)采 集處理、遙控信號

11、解碼、電機(jī)控制、姿態(tài)角解算以及控制律的實(shí)現(xiàn)。主程序流程 圖如5所示。程序入口進(jìn)行獲周期數(shù)據(jù)融合計(jì)算姿態(tài)角、航向亀高度飛科位置控制律計(jì)算捽制量輸出圖5程序流程圖5中給出了飛行控制器軟件部分的基本流程3.2控制方法比例、積分、微分(PID)控制器是當(dāng)今工業(yè)界廣泛使用的過程控制器，具有簡 單、可靠和容易集成等特點(diǎn)3o PID控制器結(jié)構(gòu)清晰，參數(shù)可調(diào)，適用于各種控 制對象，不需要被控系統(tǒng)的精確分析模型，并且算法簡單高效，可在現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)參數(shù)而取得較好的控制效果，通過 PID參數(shù)整定實(shí)現(xiàn)在比例、微分、積分 三個方面參數(shù)調(diào)整的控制策略來達(dá)到最佳系統(tǒng)響應(yīng)和控制效果。完整的PID控制表達(dá)式如下：u(t)

12、= kpe(t) e(t)dt Td 瞥T odt其中，kp為比例增益，Ti為時間積分常數(shù)，Td為時間微分常數(shù)，u(t)為輸出變量，e(t)為偏差數(shù)量在FPGA中，PID算法的實(shí)現(xiàn)采用數(shù)字逼近的計(jì)算方法。由于 FPGA的并行處 理的方式，在傳感器滿足其更新速率和傳輸性能的基礎(chǔ)上，隨著數(shù)值采樣速率的增加，其數(shù)字逼近的數(shù)值越接近真實(shí)數(shù)值。 在這里，采用求和的方法代替積分運(yùn) 算、向后差分運(yùn)算代替微分運(yùn)算。FPGA的精確時鐘信號能夠?qū)崿F(xiàn)隨著傳感器性 能的提高，使積分、微分運(yùn)算結(jié)果精度越來越高，并能夠最大限度保證積分間隔 的準(zhǔn)確。tke(t)dt 、 Te(i)0iTde(t) e(k) -e(k-1)ft;dtT其中，T為采樣周期，k是采樣序列號。在四旋翼飛行器控制系統(tǒng)中，可以將其積分運(yùn)算和微分運(yùn)算的結(jié)果近似看做 四旋翼飛行器的姿態(tài)和角速度。te(t)dt -ATaxis(t)ode(t)dtMEG日山其中，AT代表相應(yīng)axis (包括Pitch、Roll、Yaw)三個軸上的姿態(tài)，ACC代表 相應(yīng)axis (包括Pitch、Roll、Yaw)三個軸上的角速度。4參考文獻(xiàn)1 樓然苗單片