基于 STM32 四旋翼飞行器的设计

李尚松　李玮

【摘 要】四旋翼飞行器是一种新型无人飞行器，其结构简单，飞行稳定性强，具有很强的实用价值。基于其上述特性，提出一种以STM32单片机为核心的四旋翼飞行器的设计，其中具体各元件的作用与选择将分别从主控单元、IMU模块、电机驱动模块、无线通讯模块及电源模块进行阐述。

【关键词】四旋翼飞行器；STM32

0引言

四旋翼飞行器是一种配有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器。由于它是一种六自由度的垂直起降机，非常适合静态和准静态条件下飞行，所以它在军事和民用领域有广阔的应用。

1四旋翼飞行器的原理

四旋翼飞行器通常有两种模式，即十字模式和X模式，其中X模式的结构如图1所示。在四个旋翼的顶端，均匀分布着四个电机，其中同一条直线上的电机旋转方向相同。即：电机1，3按照逆时针方向旋转，电机2，4按照顺时针方向旋转。在空间中，四旋翼飞行器一共具有6个自由度（分别沿着X，Y，Z三轴平移和旋转），规定沿着Z轴正向运动为垂直运动，则其他的五个自由度分别为俯仰运动、偏航运动、滚转运动、前后运动、侧向运动，通过控制4个电机的旋转速度即可控制这六个自由度[1]。

2硬件设计

硬件设计是整个四旋翼飞行器的基础，良好的硬件设计是后续一切工作得以顺利进行的保证。其设计总体框图如图2所示，主要包括主控单元、IMU模块、电机驱动模块、无线通讯模块及电源模块[2]

2.1主控单元

主控单元是整个飞行器的核心，而微控制器更是主控模块的核心。通过微控制器采集、转换、融合传感器数据，计算飞行器的姿态信息、高度信息、位置信息，从而实现对四旋翼飞行器的控制。

2.2 IMU模块

IMU模块是整个飞行器不可或缺的一部分。通過由陀螺仪传感器、加速度传感器、电子罗盘组成的IMU传感器测量出飞行器的加速度与角速度，然后计算出飞行器的飞行姿态。

2.3电机驱动模块

电机是四旋翼飞行器的执行机构。它能够将飞行控制器的输出转换为旋翼的转速，并通过改变各旋翼的升力与反扭矩来调节飞行姿态。

2.4无线通信模块

无线通讯模块，主要用于四旋翼飞行器的远程监控，是飞行器和地面控制中心连接的桥梁。其设计包括无线遥控器和工作在2.4GHz频段的NRF24L01无线数据通信模块。

3系统组成

系统微处理器采用STM32芯片，该芯片通过读取MPU6050采集的数据，来确定飞行器所处的状态，进行相应的数据处理，从而进一步控制飞行器的运行轨迹[3]。

4结束语

本文设计了一种基于STM32的四旋翼飞行器，它的高性能、低功耗、处理速度快等特点克服了以往使用单片机作为控制器的缺点，同时，它也为后续的研究提供了一个平台，可以在这基础上对系统建模、姿态解算、滤波算法等方面作进一步的研究[4]。

参考文献：

[1]侯永锋，陆连山，高尚德，等.基于PD算法的四旋翼飞行器控制系统研究[J].机械科学与技术，2012，31（3）：359-362.

[2]谢义建，陈跃东，舒圣众.基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现田.四川理工学院学报（自然科学版），2014，27（3）：42-45.

[3]金薇.基于STM32的四轴飞行器的研究与设计[J].山西电子技术，2016，（O1）：92-93.

[4]符长友，蔡洪斌，李行，等.基于WiFi的微型四旋翼飞行器设计[J].实验室研究与探索，2016， 35 （10）：117-120，154

作者简介：

李尚松（1992～ ），男，贵州省遵义市人，硕士研究生，研究方向：机械制造及其自动化。

通讯作者：

李玮，教授，硕士生导师，从事机电一体化研究。

基金项目：西南林业大学科技创新基金（K16008）endprint