基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现_谢义建.pdf

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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