基于STM32的小型四旋翼飞控系统的研究与设计

高礼伟 朱小刚 陶波

摘 要：本文以STM32F4为飞控系统的核心，围绕传感器接口和数据采集、PWM电机控制等进行硬件、软件设计。

关键词：无人机；飞行控制系统；STM32；PID控制

中图分类号：V249.2；TN61-34

小型四旋翼无人机（简称无人机）因机动灵活、费效比高、维护方便、机动性能好等特点而被广泛应用在军事、工业、农业等领域。近年来嵌入式芯片高速发展，性能越发强大，为设计无人机飞行系统（简称飞控）提供方便。

1 四旋翼飞行器控制原理

小型四旋翼无人机的机械结构一般是“十”字模式，如图1所示。飞行时通过控制4个电机加、减速旋转，使飞行器完成起飞、降落、旋转等动作。

图2为飞控的典型闭环反馈控制系统。通过各传感器获得姿态等数据，若姿态和或位置信息偏离指令值时，控制器根据PID算法输出相应的控制量，执行机构根据控制量做出相应的动作，使无人机按照预先设定的航点信息准确飞行。

2 飞行器控制系统硬件设计

因无人机自身速度快、位置精度高，对所搭载传感器的精确性、实时性也要求较高，这才能满足飞行控制的数据采集、解算、控制通信等任务。系统以STM32F429为核心，搭载9轴传感器、气压计、GPS模块、数传电台等传感设备[ 1 ]。系统框图见图3。

2.1 STM32F4处理核心

ST公司Cortex-M4内核的STM32F439嵌入式ARM芯片，支持浮点数运算、低电压运行其性能表见表1。

2.2 9轴传感器接口

BNO055是9轴传感器：3轴14位的加速度计、磁强计、3轴16位的陀螺仪，输出四元数、欧拉角、旋转向量、线性加速等姿态信息，且支持I2C、UART等数字接口[ 2 ]。图4为传感器与STM32F429的I2C接口电路。

2.3 GPS模块接口

系统采用NEO-6M GPS模块测量速度、纬度、经度、高度等导航数据，其定位速度快、度高、支持修改通信协议的数据格式。模块自带MAX232标准的串口电平接口， 图5为与的STM32F429的串口接口电路。

2.4 数字气压计接口

数字式气压计BMP085获取大气压力数据和高度数据，结合GPS数据可得到精确的高度和速度数据。压力测量绝对精度达0.03hPa，可以通过I2C总线直接与处理器相连，如图6。

2.5 数传电台接口

采用Xtend900M电台实现无人机与地面的数据通信，其抗干扰性好，通信距离远，稳定性好，频率范围 902MHz～928MHz。Xtend與STM32F439为串口连接。

2.6 其他接口

为扩展需求，系统预留了丰富的接口，其中 PWM 输出接口除了控制量输出外，还可以为如云台、伞仓等任务设备使用；SPI、I2C 接口可以用来扩展外接高精度惯性导航器件等；

3 飞行器控制系统软件设计

系统的软件设计采用IAR7.2嵌入式集成开发环境开发，该环境支持嵌入式C编译器，且支持J-link硬件仿真的实时在线调试。飞行器在飞行过程中控制飞行器角速度的增量，故采用PID的增量算法整体程序方法如公式1。

式中：un为第n个采样时刻的控制；KP为比例放大系数；T 为采样周期。

软件模块化设计包括传感器数据的读取及姿态解算、PID控制、PWM 信号捕获以及控制电机的PWM波形输出等。根据飞控的控制要求，设计了如图7的软件主流程图。

4 系统调试与结论

根据系统的软硬件设计，完成了四旋翼飞行器硬件制作与调试，并进行程序编写、下载调试。调试表明四旋翼飞行控制系统设计合理，飞行灵活、稳定。

参考文献：

[1] 杨磊.基于STM32的小型无人机飞行控制系统设计[D].哈尔滨：东北农业大学，2016.

[2] 王东平.基于嵌入式的四轴飞行器控制系统研究与设计[D].泉州：华侨大学，2013.

基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划

项目编号：201613114011Y