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《基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现_谢义建.pdf》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、第27卷第3期四川理工学院学报(自然科学版)Vol.27No.32014年6月JournalofSichuanUniversityofScience&Engineering(NaturalScienceEdition)Jun.2014文章编号:1673-1549(2014)03-0042-04DOI:10.11863/j.suse.2014.03.10基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现谢义建,陈跃东,舒圣焱(安徽工程大学安徽省电气传动与控制重点实验室,安徽芜湖241000)摘要:四旋翼飞行器属于欠驱动系统,具有四个输入力和六个状态输出,其应用广泛却设计
2、困难。以STM32为控制核心,分析并设计了四旋翼飞行器的各个功能模块和软件流程。高精度的多路传感器在协同工作下,采集飞行器运动信息并将遥控信号发送至STM32处理器,STM32经过处理驱动电机相应运动,调节飞行器姿态。实验结果表明,基于STM32的四旋翼飞行器能够实现姿态调整、悬停、航拍等功能,验证了其设计的合理性。关键词:STM32;四旋翼飞行器;飞行控制器;姿态控制中图分类号:TP391.8文献标志码:A转方向相同。即:电机1、3按照逆时针方向旋转,电机引言2、4按照顺时针方向旋转。在空间中,四旋翼飞行器一四旋翼飞行器是一种配有4个螺旋桨且螺旋桨呈共具有
3、6个自由度(分别沿着X、Y、Z三轴平移和旋十字形交叉的飞行器。与传统的直升机不同,四旋翼飞转),规定沿着Z轴正向运动为垂直运动,则其他的五个行器只能通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作。由自由度分别为俯仰运动、偏航运动、滚转运动、前后运于它是一种六自由度的垂直起降机,非常适合静态和准动、侧向运动,通过控制4个电机的旋转速度即可控制[3]静态条件下飞行,所以它在军事和民用领域有广阔的应这六个自由度。例如:(1)垂直运动:在图1中,因为[1]用。但是四旋翼飞行器只有四个输入力,同时却有六电机1和电机3按照逆时针方向旋转,电机2和电机4个状态输出,所以它又是一种欠驱
4、动系统,这使得飞行按照顺时针方向旋转,所以它们对飞行器自身的反扭矩控制器的设计变得非常困难。因此,本文设计了一种基相互抵消。当同时增加四个电机的旋转速度时,飞行器于STM32的四旋翼飞行器,由于STM32具有低功耗、高总的拉力增大,若此时总拉力大于飞行器总重量时,飞性能、外设资源丰富、处理速度快、开发效率高并且还可行器便离开地面并垂直上升,反之,当同时减小四个电以嵌入实时操作系统等优点,使得四旋翼飞行器的设计机的旋转速度时,飞行器垂直下降直至平衡落地,因此[2]变得相对简单。便实现了沿Z轴的垂直运动。(2)滚转运动:改变电机2、4的旋转速度,并且保持电机1、
5、3的旋转速度不变,飞1飞行器的工作原理和系统框图行器即可绕X轴旋转,实现了滚转运动。在无外界干扰1.1飞行器的工作原理的情况下,当旋翼产生的总拉力等于飞行器的自身总重[4]四旋翼飞行器通常有两种模式,即十字模式和X模量时,飞行器保持悬停状态。式,其中X模式的结构如图1所示。在四个旋翼的顶1.2飞行器控制系统的结构框图端,均匀分布着四个电机,其中同一条直线上的电机旋四旋翼飞行器控制系统采用模块化设计,如图2所收稿日期:2014-03-04基金项目:安徽高校省级自然科学研究重点项目(KJ2013A041);安徽省大学生创新创业训练计划项目(AH201310363
6、005)作者简介:谢义建(1990-),男,安徽安庆人,硕士生,主要从事运动控制系统分析与设计方面的研究,(E-mail)xieyijian123@163.com第27卷第3期谢义建等:基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现432盘HMC5883L相连接,扩展之后就可以通过其IC接口输出一个9轴的信号,其中陀螺仪输出飞行器的姿态角速率(偏航角速率、俯仰角速率、横滚角速率),加速度计分别输出X、Y、Z轴加速度,数字罗盘配合加速度计为飞行器导航提供可靠的方向信息。同时,采用了MEAS(瑞士)公司推出的一款高分辨率气压传感器MS5611,2分辨率可达10cm,它
7、通过IC总线与控制器STM32进行通信,实现飞行器的气压定高。具体硬件电路如图3图1X模式飞行器结构示意图[6]所示。示,分别由数据采集模块,电源管理模块,控制器模块,串口通信模块,遥控控制模块,电机驱动模块,电机模块等部分组成。其中,数据采集模块由三只传感器组成,2负责采集飞行器的姿态信号,并通过IC总线将数据传送到控制器模块,其中,控制器模块采用了意法半导体公司的STM32F103VET6作为系统的主控芯片,STM32系列是基于ARMCortex-M3内核的处理器,低功耗,处理速度快,最高工作频率达到72MHz。同时,遥控控制模块将通过RC接口,发送遥控
8、信号给控制器,控制器接收到姿态信号和遥控信号后,快速
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