基于STM32单片机的四轴无人机设计

康盟

基于STM32单片机的四轴无人机设计

康盟

北京化工大学国际教育学院，北京 100000

当前世界范围内，无人机的研发成为重点。当前已经研发出了固定翼无人机和同轴双桨无人机。由于四轴无人机设计和制造简单且容易操控，因此四轴无人机依旧为研发重点。基于对四轴无人机常用控制方式的研究，结合对硬件部分的了解，提出了基于STM32单片机的四轴无人机设计方式，以实现对无人机的稳定操控。

四轴飞行器；STM32；PID；飞行姿态

引言

在四轴无人机的设计过程中，需要保证飞行器能够被操控。由于PID控制模式经过多年发展和研究，性能更加稳定，因此可以应用到无人机控制系统中。另外，在无人机的设计过程中，合理的设计流程能够减少设计过程的工作量，并提升设计的合理性。本文在设计过程中按照无人机用途确定云台和其余硬件设施，在此基础上设计确定电池参数和各电路系统，从而提升无人机续航能力。

1 四轴无人机的整体设计

四轴无人机整体设计主要包括外形硬件设计、电气系统设计和动力结构设计等方面。

1.1 无人机硬件设计

硬件设计中包括各类参数的确定以及制造材料的选择。由于四轴无人机采用十字布局方式，因此设计中需要按照无人机的云台重量和各类构件的总重量确定臂长，同时按照空气动力学的知识确定螺旋桨叶片参数。另外，在螺旋桨转动过程中，两对桨叶的旋转方向相反。这种方式能够抵消无人机运行中产生的扭矩，保证无人机的平稳飞行[1]。另外，对于无人机的搭载云台等系统，需要对摄像头的视角、种类等方面进行确定，尤其是对于有测距、红外成像要求的无人机，需要在云台中架设多种探头，并根据云台重量确定电池容量、支撑机构强度、无人机整体重量、臂展和桨叶长度等参数。

1.2 电气系统设计

对于四旋翼无人机来说，都会采用电池进行无人机供电，因此在设计过程中，需要硬件部分初步确定电池容量。在四旋翼无人机运行过程中，还需要建设信号传输系统、控制系统和通信系统。要实现这些功能，在电路设计中需要架设各类传感器，因此在电气系统设计过程中，需要在电路中架设控制芯片。通过对多种控制芯片的选择，本文最终选择了 STM32单片机作为无人机的主控芯片。另外，在电气系统设计过程中，还需要设计通信系统。通信系统设计中包括蓝牙通信模块和无线通信模块。

1.3 飞行原理选取

当前的四旋翼无人机飞行原理主要采用两种方式。一种方式通过单一电机提供飞行动力和改变飞行姿态。这种方式将电机的前方设定为飞行器的飞行初始前方，以此为基准对飞行器的飞行状态进行确定。采用这种方式的飞行器虽然会在一定程度上降低设计的复杂程度，但是无人机运行过程中会比较难以控制。另一种为对不同的桨叶提供独立电机的方式。这种无人机将两个电机方向设定为前方，另外两个设定为后方。虽然这种方式设计较为复杂，且建设成本更高，但是能够在很大程度上提升控制稳定性，并且飞行姿态的变化种类也获得较大提升[2]。

1.4 PID控制系统设计

PID控制方式是当前较为成熟的一种控制方式。这种控制系统模型为一个闭环回路，通过反馈信号实现对系统的控制。对于四轴无人机来说，要实现对姿态的调整，调整对象为俯仰角、偏航角和翻滚角。在控制无人机的过程中，这三个参数为确定值，并且相互独立。在PID系统建设过程中，涉及两个回路。其中一个回路为总回路，即将螺旋桨的运动状态与运行飞行器姿态与期望值进行比较的回路。另一个为内部回路，将螺旋桨的运动状态反馈给角速度环PID控制器。另外，在PID控制系统中还设置了一个角度环PID控制器。两个控制器串联，实现对无人机姿态的控制。

2 基于STM32单片机的四轴无人机的电路设计

2.1 动力电路设计

四轴无人机的动力来源为电池。另外电池还对所有电路中的设备进行供电，所以对于具有不同电压要求的电子器件来说，需要在电路中设置电压调节器件保证系统能够处于正常的工作电压下。本文中无人机的电机电压为3.7 V，采用4电机提供动力模式，最终确定使用的锂电池电压为3.7 V，可以应用锂电池直接供电。但是对于四旋翼无人机的姿态控制来说，姿态控制是通过对螺旋桨转速的调整来实现的，所以需要由控制系统对电机的运行状态进行调整，因为控制系统的发出信号无法直接对动力电路进行控制，所以在设计过程中，需要设置专用的动力控制电路，放大控制芯片发出的信号，从而实现对动力电路的控制。

2.2 通信电路设计

通信电路的设计涉及两个方面：一个是飞行器端；一个是遥控端。对于飞行器端的通信电路设计，需要通过程序编写让单片机能够识别遥控端发出的各类信号，将信号放大后实现对无人机运行状态的调整。对于遥控端，通常情况下已经较为完善，在设计中需要让遥控端与飞行器端建立一一对应的指令关系，保证遥控端的指令能够被飞行器端识别。当前的通信系统多采用蓝牙和无线通信系统控制模式。因此在设计中，需要根据这两种通信技术的异同点和特性进行电路设计。

2.3 姿态传感器设计

在进行姿态传感器的设计过程中，本文设计的四轴无人机电机配置方式为两前两后，结构更加复杂，对控制系统的要求更高，因此对姿态传感器的功能性提出了更高要求。本文选用了MPU6050姿态传感器，在该传感器的应用过程中，能够在I2C接口上接入第三方数字传感器。应用这种传感器能够提升无人机姿态测量精度。在控制系统的运行过程中，主控芯片对姿态传感器的控制方式有两种。首先是软件控制。这种方式原理为主控芯片通过I2C接口读取姿态传感器中的数据，通过程序处理让数据与相应的控制情况相符，这种方式在很大程度上提升了计算量和计算时间。其次是硬件控制。硬件控制的原理为由姿态传感器通过数字运动处理器进行飞行姿态数据的调整与计算，将转换成欧拉角的数据放置在FIFO中，再由主控芯片读取这些数据，通过数据比对等方式进行姿态调控，这种方式能够缩短系统的调整时间[3]。

2.4 控制芯片系统设计

在控制芯片系统的设计过程中，除了要按照单片机的产品说明保证接口接入的正确性以外，还需要在系统设计过程中设计相应的辅助电路，其中最重要的就是电压调整电路与振荡电路。通过上文发现，本文设计的电气系统电池电压为3.7 V，而单片机的工作电压为2.0～3.6V。通过各类系统的协调与设计，最终让单片机工作电压保持在3.3 V。因此在控制芯片系统设计过程中，需要使用降压器时控制芯片处于正常的工作电压下，最终应用MIC5205芯片进行稳压操作。对于外振荡电路，在控制芯片系统的设计中最终确定为8 MHz晶振。

3 基于STM32单片机的四轴无人机控制程序设计

单片机具有程序存储和运行功能，可以将编写完成的控制程序存放到单片机中，让该程序能够充分发挥应有功能。程序主要发挥的功能为电机工作状态控制、数据采集和处理、通信这三个方面。在无人机的控制过程中，这三个方面的程序运行需要具有一定的时序性，保证整个控制过程能够有条不紊地进行。在程序设计过程中，需要在不同的功能间合理设计时间间隔，通常情况下时间间隔都很小，在该时间间隔内让程序能够自动进行重复计算，保证计算和控制的精确度。

4 结论

综上所述，在四轴无人机的设计过程中，需要首先进行硬件部分设计，在设计过程中确定云台和其余相关设施的重量，最终确定电机型号和电源容量。在电气系统设计中，需要充分了解不同姿态调整方法的运行原理，并以此为依据进一步合理确定电源型号，在确定电源电压的基础上，进行动力电路和控制电路的设计。最后要进行控制程序编写，将程序存储到单片机中实现对飞行器的控制。

[1]周亮亮，汪列隆，张倩. 基于STM32的四轴飞行器设计[J]. 赤峰学院学报（自然科学版），2016，32（13）：32-34.

[2]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（1）：92-93.

[3]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.

Design of Four-Axis UAV Based on STM32 Single Chip Microcomputer

Kang Meng

School of International Education, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100000

At present, the development of drones has become the focus of the world. Fixed-wing UAV and coaxial twin-propellers have been developed, the design and manufacture of four-axis UAV is simple and easy to control, so the four-axis drone is still the focus of research and development. Based on the research on the common control methods of the four-axis UAV, combined with the understanding of the hardware part, the design method of the four-axis UAV based on STM32 single-chip microcomputer is proposed to realize the stable control of the UAV.

four-axis aircraft; STM32; PID; flight attitude

TP242

A

康盟（1997—），汉族，山西大同人，本科双学位在读，北京化工大学机械设计制造及其自动化专业，研究方向为自主移动式机器人。