基于STM32微处理器的飞行器设计与实现

吴司林　王强　蓝东浩

【摘 要】随着信息化时代的蓬勃发展，科学技术不断更新，飞行器被广泛的应用在军事侦查、航拍以及民用快递运输等诸多行业。同时飞行器本身也向着飞行控制简单、飞行续航时间长、自动寻航等方面发展。飞行器以Cortex-M3为内核的STM32F103C8T6芯片做为主控，由无线通讯模块NRF24L01、加速度和角速度传感器MPU6050芯片、空心杯电机驱动，以及电源管理模块等五部分组成。控制器通过读取自身传感器实时采集数据并处理数据，利用卡尔曼滤波算法和互补滤波算法对飞行器进行姿态解算，再通过数字PID控制器、模糊算法等控制算法控制电机输出，实现飞行器在空中稳定的飞行[1]。

【关键词】四轴飞行器；无线通讯；姿态解算；PID控制算法；模糊算法

中图分类号： TP391.8 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）09-0097-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.045

Design and implementation of aircraft based on STM32 microprocessor

WU Si-lin WANG Qang LAN Dong-hao

（North Minzu University，Ningxia Yinchuan City，750021，China）

【Abstract】With the vigorous development of the information age and the continuous updating of science and technology， the aircraft has been widely used in military reconnaissance， aerial photography and civil express transportation.At the same time， the aircraft itself is developing towards the simple flight control， long endurance and automatic navigation.Aircraft with architecture M3 as the kernel STM32F103C8T6 chip as master， by the wireless module NRF24L01 MPU6050， acceleration and angular velocity sensor chip， hollow cup motor drive， and power management module of five parts.Controller by reading their own sensor real-time acquisition data and processing data， using kalman filter algorithm and complementary filter algorithm for aircraft attitude algorithm， and through the digital PID controller， fuzzy algorithm， such as control algorithm to control motor output， to achieve stable flying aircraft in the air.

【Key words】Four-axis aircraft；Wireless communication；Attitude calculation；PID control algorithm；Fuzzy algorithm

目前飛行器广泛应用于军事、民用以及科学研究等多个领域。在抗险救灾、喷洒农药、监控巡逻、航拍等方面的运用凸显出了飞行器的实用价值。飞行器逐渐成为了一个新兴的行业。多旋翼飞行器作为一个智能化的参品无论是在稳定性、可靠性和安全性等技术方面还是在实用性方面都提出了很高的要求。飞行器首先要考虑的是空中悬停，无人机悬停控制算法的设计过程往往很复杂，需要考虑各种因素；其次就是承载能力，作业时飞行器不可能空载而飞，需要带各种作业所需工具；最后需要考虑的是飞行器飞行时间。因此，要解决飞行器稳定可靠长时间的飞行，控制算法的设计、电源的处理和结构的设计是重要问题。

1 总体设计方案

该设计由内核为Cortex-M3的STM32F103C8T6芯片作为主控，它是一个内核为32 位的微处理器。具有低成本低、低功耗、高性能、高代码密度、小硅片面积等特点。该控制器的主要任务是实时接收并处理各传感器模块采集到的数据和处理通讯模块所接收的数据，并实时将处理好的数据输出来调整飞行器的姿态，使飞行器平稳的飞行[1]。飞行器的姿态数据通过陀螺仪MPU6050传感器来采集，将采集到的数据通过控制器处理之后对飞行器的姿态进行调整；飞行指令通过NRF24L01无线模块实现数据的接收与发射，对飞行器进行指令的操作，主要由遥控发射数据指令，同时主控接收指令并处理，实现对飞行器操控。系统总体设计框图如下所示：

图1 统总体结构图

2 系统硬件设计

2.1 最小系统的设计

任何控制类的设计都少不了最小系统的设计，最小系统是任何一个处理器正常工作的必要条件，由电源、复位及振荡电路组成。对于一个完整的系统设计来说，首先需要解决整个系统的供电问题，电源是任何系统正常运行的支撑，所有系统离开了电源将不再有任何价值，因此电源的处理是任何一个系统稳定运行的基础。复位作用是将系统从一个未知的状态始化到一个非常明确的状态。振荡电路为系统提供基本的时钟信号[2]。

2.2 电机驱动电路

电机的驱动电路是控制器处理完数据之后执行操作的一部分，控制器将采集到的数据进行处理后以PWM脉冲的形式输出给电机，实现对8250空心杯电机的的控制。在MOS开启瞬间时需要消耗电流，如果电流过大，会导致瞬间开启，缩短MOS管的寿命[3]。MOS管高电平导通，通过PWM占空比控制MOS管的导通，从而控制电机的平均功率。

2.3 MPU6050模块

MPU6050内部含有的DMP可实现姿态解算，不仅简化控制算法的设计，而且降低了主控的负担，省去了姿态解算的过程，从而有更多的时间去处理其他事件，提高系统实时性。R6、R7为上拉电阻，电阻值可选取的范围为2KΩ到10KΩ。由于接到I2C总线上的器件是漏极开路或集电极开路，因此在总线空闲期间，SDA和SCL都是高电平，可以防止外部干扰造成误启动I2C总线[4]。

3 系统软件设计

硬件是软件运行的坏境，硬件的好坏直接影响着系统能否稳定运行，但如果要使整个系统稳定运行仅靠硬件结构是不够的，软件的运行效率和结构也有很大的影响。任何系统在稳定运行时都必须满足三个要求，即稳定性、快速性和准确性。PID控制器中P表示比例，I表示积分，D表示积分，将三个变量联系起来调整PID控制器的参数可设计出所需求的设计。PID控制器的算法可用以下式子表示：

其中：

Kp表示比例增益；

Ki表示积分增益；

Kd表示微分增益；

e表示偏差；

t表示时间；

此外，在该设计中还涉及到了姿态解算等算法。姿态解算的方法有很多种，其中常用的控制算法有卡尔曼滤波算法、互补滤波算法；每个算法各自有各自的特点，在不同的控制场合和控制要求可以选择不同的算法实现相同或不同的功能。

4 结语

随着科学技术的发展，生活水平的不断提高，飞行器在各个领域的需求量不断提高，对安全性、稳定性、长时间飞行、承载力、便携等各方面的要求也越来越高。控制算法的设计是飞行器稳定飞行的前提，控制算法的设计是编程的核心，该设计采用了数字PID控制算法、卡爾曼滤波算法等多种算法来解决飞行器的稳定性，经过多次的测试和调试，该系统达到了预期的目标。为使系统更加稳定，调试和测试过程中多次确认每一个参数，以便飞行器在任何情况下都能稳定的飞行，减少外界坏境的影响，将较为理想的参数取出来在不同的坏境下多次调试，以确认更为稳定的参数。

【参考文献】

[1]刘乾，孙志锋.基于ARM的四旋翼无人飞行器控制系统[J].机电工程，2011，28（10）：1235-1241.

[2]吴勇，罗国富，刘旭辉，周定江，肖松，杨松和.四轴飞行器DIY--基于STM32微控制器[M].北京航天航空大学出版社，2016：10-17.

[3]李刚民，曹巧媛，曹琳琳，陈忠平.单片机原理及实用技术[M].高等教育出版社，2005：33-35.

[4]电子发烧友网.电子技术应用[Z].2017—11—07.

[5]吴勇，罗国富，刘旭辉，周定江，肖松，杨松和.四轴飞行器DIY--基于STM32微控制器[M].北京航天航空大学出版社，2016：51-53.

[6]邹伯敏.自动控制理论[M].机械工业出版社，2007：246-254.