一種微型四軸飛行器設計

1、一種微型四軸飛行器設計一種微型四軸飛行器設計劉洋+楊潤豐摘 要：伴隨著多旋翼飛行器技術的日益成熟，四軸飛行器因具有結構簡單、能耗低、體積小等優(yōu)點，得到廣泛應用。該文旨在設計一種采用 stm32 芯片作為主控芯片，以運動傳感器 mpu6050 作為姿態(tài)傳感器，通過 2.4g 無線通信模塊與遙控板進行通信，使用 pid 控制算法通過 pwm 方式驅動空心杯電機實現(xiàn)遙控控制的微型四軸飛行器。該飛行器采用一體化設計，結構簡單，制作方便，可以作為四軸飛行器的科普學習及 stm32 學習平臺。關鍵詞：四軸飛行器 stm32 mpu6050 飛行控制：th112 ：a ：1672-3791（2016）11（

2、b）-0052-02近年來，伴隨著無人技術的發(fā)展，多旋翼飛行器技術日益成熟，多旋翼飛行器不受起飛著陸場地限制，能垂直起降、空中懸停，能向任何一個方向靈活飛行等特點，使其被廣泛應用于各個領域。大疆等航拍飛行器的出現(xiàn)以及植保無人機的應用更是將四軸飛行器技術帶入千家萬戶，越來越多的人接觸并應用四軸飛行器。四軸飛行器技術的快速發(fā)展及應用普及，使得無人飛行器飛手及維修維護人員的匱乏問題日益顯現(xiàn)。該文提出了一種微型四軸飛行器設計方案，該微型四軸飛行器采用 stm32 芯片作為主控芯片，以運動傳感器 mpu6050 作為姿態(tài)傳感器采集飛行器狀態(tài)信息，并通過 2.4g 無線通信模塊與遙控板進行通信，飛行器結合

3、飛行狀態(tài)信息及接收的遙控信號，使用 pid 控制算法通過 pwm 方式驅動空心杯電機實現(xiàn)遙控控制。通過該微型四軸飛行器的設計制作，可以深入了解四軸飛行器的飛行控制原理，為四軸飛行器的應用與開發(fā)奠定基礎。1 四軸飛行器的結構與原理四軸飛行器屬于多旋翼飛行器，與直升機不同，它由 4 個旋翼組成，而且 4 個旋翼都是電機直連的簡單機構，通過控制這 4 個旋翼的轉速，來實現(xiàn)飛行器的前進、后退、轉向和旋轉等動作。其結構圖如圖 1 所示。如圖 1，四軸飛行器主要包括：旋翼部分、飛行控制部分及機身 3 部分，其中旋翼固定在機架的 4 個軸的末端，為整個飛行器提供動力，它包括螺旋槳（正、反槳）、電機以及一些固

4、定部件；飛行控制部分固定在機架的中心，用于飛行器姿態(tài)信息的處理及姿態(tài)控制，其中包括主控模塊、遙控接收模塊、傳感器模塊等；機架是飛行器的基礎平臺，旋翼模塊、飛行控制模、電源等都要安裝在機架上面。機架的大小直接決定了飛行器的大小，作為微型四軸飛行器，為了減小飛行器的體積及重量，一般采用一體化設計。2 硬件設計四軸飛行器通過改變其 4 個螺旋槳的拉力的大小及方向可以實現(xiàn)前進、后退等簡單動作，要想實現(xiàn)飛行器的穩(wěn)定多姿態(tài)控制，則需通過姿態(tài)傳感器獲取信息，經主控制器進一步運算處理實現(xiàn)?；谝陨显O計思路，該設計系統(tǒng)框圖如圖 2所示。如圖 2 所示，該控制系統(tǒng)主要包括 stm32 主控制器、電源模塊、空心杯電

5、機、通信模塊及傳感器模塊 5 部分。2.1 主控電路主控制器，作為四軸飛行控制系統(tǒng)的核心，主要功能是接收遙控控制信號，將當前飛行姿態(tài)信息與目標姿態(tài)信息進行比較，通過控制算法，計算出各電機pwm 脈沖占空比值輸出至電機，實現(xiàn)飛行控制?？紤]到 stm32 學習的方便，該設計選用 stm32f103 作為主控芯片，最小系統(tǒng)電路如圖 3 所示3。2.2 傳感器模塊傳感器模塊選用 mpu6050 傳感器作為姿態(tài)傳感器，用于測量飛行器的空間加速度與角速度信息，測量數(shù)據(jù)經主控制器預算后，通過 pwm 控制各電機轉速，進而實現(xiàn)運動控制。2.3 通信模塊要實現(xiàn)四軸飛行器的飛行遠程控制，需要四軸飛行器和遙控端進行

6、無線通信，考慮成本及設計的簡化，該設計采用 nrf24l01 作為無線通信模塊，設計制作四軸飛行器遙控終端。2.4 電源模塊電源模塊為整個系統(tǒng)供電，該設計的電源模塊采用較為輕便的 5 v 小型鋰電池作為電源，經 lm1117-3.3v 穩(wěn)壓電路實現(xiàn)微控制器、無線通訊模塊、傳感器模塊的供電。3 軟件設計軟件設計作為四軸飛行器設計的重要組成部分，直接影響到飛行器飛行控制的穩(wěn)定與可靠。四軸飛行器的軟件設計主要由 stm32 主控制器的程序設計及遙控終端的程序設計兩部分組成。stm32 主控制器主要功能是接收無線信號、處理傳感器信息及控制電機轉速，其處理流程首先是初始化無線通信模塊、傳感器模塊和電機，

7、然后獲取姿態(tài)信息并對整個系統(tǒng)進行校準，隨后進入待機狀態(tài)等待解鎖控制信號的傳入。主控制器采用定時器中斷的方式，在中斷中進行對時間的處理，每次中斷計次標志就會自增，根據(jù)不同的中斷積累分別處理優(yōu)先級不同的任務。主控制器工作時每 0.5 ms 中斷一次，每次中斷都會檢查一次無線模塊數(shù)據(jù)的接收，確保飛控系統(tǒng)控制信息的實時性；每兩次中斷讀取一次傳感器模塊數(shù)據(jù)，獲取的數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波算法獲得較為準確的飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)；每 4 次中斷（即 2 ms）通過濾波算法獲取的姿態(tài)數(shù)據(jù)計算四軸飛行器的姿態(tài)，然后結合遙控終端的目標姿態(tài)，根據(jù)兩者的差值通過 pid 控制算法計算出各電機 pwm 值，對各個電機進行調速控制1

8、。該設計設計的遙控器，主要用于飛行器的簡單控制，遙控板將操作人員的操作動作轉化成信號傳給飛行控制板，實現(xiàn)飛行器的遠程控制。4 結語該文設計實現(xiàn)一種微型四軸飛行器系統(tǒng)，該四軸飛行器采用 stm32 芯片作為控制芯片，以運動傳感器 mpu6050 作為姿態(tài)采集傳感器，通過 2.4g 無線模塊與遙控終端通信，并通過 pid 控制算法得出電機 pwm 驅動值來實現(xiàn)飛行控制。系統(tǒng)結構簡單，易于實現(xiàn)，可用于初學者及愛好者入門體驗學習。參考文獻1常國權，戴國強.基于 stm32 的四軸飛行器飛控系統(tǒng)設計j. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2015（2）：29-32.2鮑凱.玩轉四軸飛行器m.北京：清華大學出社，2015.3劉軍.例說 stm32m.北京：北京航空航天大學出版社，2011.科技資訊 2016 年 32 期科技資訊的其