基于STM32的无人机精准空投控制装置的设计

文/龙吉

近几年无人机物流空运发展迅速，国内多家电商和物流公司已经开始研制适用于空运和物流的无人机并申请了航线和空域，短距离空运常使用旋翼无人机进行精确高可靠性的运输，但是续航时间短，飞行半径小，效率低下。虽然采用固定翼或者复合翼的无人机进行空运，具有续航时间长，飞行半径大，载重量较大的优点，但是需要机场或者固定区域进行起降，所以目前国内外都将无人机物流和空投放到一起研究。空投货物的优点在于不需要携带货物降落，大大减少降落时的不确定因素，也增加续航时间。然而，空投受无人机空速、外界空气密度变化、机尾流场等影响，空投的精确度不高。本文针对航空炸弹型空投箱为负载，以翼伞为控制对象，设计一种控制装置，根据各种传感器参数实时计算并预测期望值进行控制，实现精准空投。

1 控制装置内部结构

由于控制装置针对传感器的参数做出预测，需要大量的运算工作，普通的微控制器运算压力较大，本设计中采用意法半导体公司的STM32F407微控制器进行运算，主要运行卡尔曼滤波算法进行跟踪预测。除了微控制器之外，还采用10轴带温度补偿传感器，及包含三轴加速度、三轴陀螺仪、三轴角度及气压传感器，能够输出高精度的姿态，采用I2C通信。为了更好的控制空投精准的降落到目的坐标，设计采用翼伞代替传统的圆伞，翼伞具有可控性好，滑翔性能强，无损着陆的优点。翼伞的牵引控制装置安装在空投箱两侧，靠两个数字舵机进行控制。

1.1 GPS定位及无线数据传输装置

无人机和空投箱都内置GPS定位模块，在空投箱未脱离无人机时，GPS信息通过无线数据传输模块传回的信息来自于无人机的GPS定位模块，当无人机到达空投目的地上空前进行空投，空投箱根据自身的GPS定位模块与与空投目的地坐标对比，将输出数据和传感器参数传入微控制器进行计算和预测。

1.2 翼伞及牵引装置

采用翼伞的目的是相对于圆伞的不可控性增加可控性，翼伞的牵引控制主要是通过操控绳来控制的，在滑翔过程中更容易控制，容错率高。牵引装置安装在空投箱两侧，通过两个数字舵机和拉杆对操控绳进行控制空投箱向左向右移动，当两个数字舵机同时拉下，在短时间内向前和向下的速度会降低到很小，这种情况适用于着陆瞬间做到无损着陆。

2 控制装置硬件电路

基于STM32F407微控制器的控制核心，外围传感器电路采用10轴传感器电路，考虑到高空温度变化，电路带有温度补偿。传感器电路和微控制器通信采用I2C协议，降落伞弹射装置和牵引装置都是执行机构，由微控制器直接控制。

2.1 降落伞弹射装置

为了保证开伞成功率和时效性，空投箱顶部带有一个降落伞弹射装置，装置采用弹簧机构进行弹射，弹射距离2米，开伞时间不大于0.8秒，弹射装置上盖由一个数字舵机进行控制，当接收到弹射信号时，数字舵机触发弹射机构，将上盖打开，弹簧机构将降落伞弹出后打开。

2.2 供电电路

整个控制装置是单独自动控制的，需要内部稳定供电。供电电路采用800mAh/3S锂电池供电，放电倍率30C，电压在11.1-12.6V，持续放电电流在20A左右，最大瞬时放电电流在24A。控制装置的待机电流在10mA-20mA左右，弹射和控制瞬间工作电流在600mA-1.5A左右，满足多次空投供电需求。供电电路采用DC-DC大功率降压电路，保证系统正常工作。

2.3 牵引装置

由于数字舵机工作电流较大，大风环境时的工作电流瞬间高达1.5A以上，所以需要专门的驱动电路，本设计采用DC-DC开关电路，共地处理后接收PWM信号进行驱动控制，大大减少舵机工作时对控制核心供电的影响。牵引装置的主要作用是连接到翼伞的操控绳上，当需要做向左和向右运动时，相应的舵机拉动拉杆使操控绳向下受力，从而改变滑翔方向。

3 控制装置的软件设计

控制装置内部运行的算法主要的核心思想就是运动参数的输入，和预计目标输出的比对，然后预测进行输出，控制系统根据自身的GPS传回的信号和设置好目的地坐标进行比对，做出前进、向左、向右、盘旋的控制和调整，由于惯性环节过多，在设计模型时，我们将翼伞和空投箱假设作为刚性物体进行研究，两个刚性物体通过铰链连接，分析受力后得出模型进行分析。

10轴传感器和微控制器通信后，将内部的数据进行滤波，包含状态估算、动力解算及数字滤波，本设计中采用卡尔曼滤波，最后得到高精度的姿态参数，根据当前姿态和GPS信息来判断并控制牵引装置做出相应动作。

4 测试平台介绍

本设计中的测试平台采用常规布局固定翼无人机，翼展2.2米，机长1.5米，最大起飞重量6公斤，动力系统采用双发动力,2820无刷电机，650KV值，40A电子调速器，1170螺旋桨，16000mAh 6S锂电池。测试使用的无人机采用弹射起飞，最大起飞重量6.5公斤。所以测试使用的航空炸弹型空投箱的整体重量不超过4公斤，空投箱尺寸为0.2×0.2×1米，降落伞弹射装置内置于空投箱内部，牵引装置放置在空投箱两侧，降落伞的尺寸为3.2×1.2米。经过实际测试发现当牵引装置控制操控绳进行方向的改变时，瞬间会有一个作用力影响空投箱姿态，这个扰动量对系统的干扰较大，容易使控制器预测错误或者失败，后期改进加入一定时间的延时或者容错，将这个姿态的变化忽略后精度大大提升。

5 总结

本文主要介绍了一种基于STM32的精准空投控制装置，这种控制装置有效的控制降落伞按照预测的降落轨迹进行降落，达到精准空投的目的，经过多次测试和改进，控制精度较高。虽然空投箱采用航空炸弹型空投箱，受到空气密度变化影响小，易于控制，但是很多物体由于体积的原因不能够装入空投箱，大大减小了可空投物品的范围，在以后的研究中会加入更多形状的空投箱进行研究和测试。