基于STM32F03RCT6的无人机自主巡
2021-09-23马浩然王博
马浩然 王博
【摘要】 本系统设计制作了四旋翼自主巡线无人机。该系统包括STM32F103RCT6开发板为控制核心即飞行控制模块、OPENMV视觉循迹模块和超声波模块。OPENMV视觉循迹模块负责采集并处理图片，将处理好的路径信息传输给控制核心，超声波模块负责测量无人机离地高度，并传输给主控，各测量模块与飞行控制模块通过串口保持实时通信，飞行控制模块根据反馈的实时信息，控制电机完成自主巡线飞行。[1]。
【关键词】 无人机信息通讯 四旋翼自主飞行器 STM32单片机 摄像头循迹
引言：
在科学技术快速发展的今天，无人机是一种通过由无线控制或机身自控系统操纵的无人飞行器。[2]因此提高无人机巡线的技术水平，解决无人机巡线的安全问题，是现代无人机研究须重点解决的问题。[3]
一、系统结构
本系统由飞行控制模块、视觉巡线模块、超声波模块、电调及电机模块、导航及惯导模块组成，外部结构由机架、电调、电机、及各种核模块构成。机架为刚性X结构，各模块均安装在机架中心区域，电调附着在机架机臂上，电机在四个机臂末端。
飞行控制模块采用STM32F103RCT6芯片，主要负责通过电调控制四个电机，进而控制飞机的飞行姿态;导航模块以独立封装IMU，MPU6050、IST8310、SPL06-001构成，该模块负责收集无人机的三维立体数据经过处理得出飞行状态，发送给飞行控制模块调整飞行姿态;电源模块负责为整个系统提供持续稳定能源。
二、系统硬件与设计
该系统的硬件主要包括智能集散点和四旋翼端的硬件设计。
2.1四旋翼端的驱动模块方案
2.1.1 2213/13T1000KV无刷直流电动机
本系统采用的是2213/13T1000KV无刷直流电动机。相较于有刷电机，无刷电机摩擦小，损耗小，运转流畅，寿命长，能提供较高的转速和较强扭力，并且具有调速范围大、效率高和稳态误差小等优点。[4]
2.1.2 脉冲宽度调制PWM调速
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，根据本设计中受控电机的容量和无刷直流电机调速模式，本设计采用了PWM变换器进行调速。[5]
2.2飞行控制模块设计
自行设计了以STM32F103RCT6（图1左）为主控的独立封装IMU（图1右）的飞控，其优点是硬件电路设计相对简单，网上飞控开源资料多，也较为成熟。
2.3摄像头模块的论证与选择
无人机寻迹的关键在于摄像头采集处理信息的好坏，若图片出现失真模糊重影，将直接影响下一步飞行姿态的调整。
本设计采用摄像头是OpenMV摄像头，OpenMV是一个开源代码的装载OV7725摄像头以STM32F427CPU为核心芯片功能强大的机器视觉模块。[6]该摄像头满足后续处理和寻迹识别的要求。
三、系统电路与程序设计
3.1电路设计
系統包括STM32处理器的最小系统板为核心的飞控、超声波测距模块、OpenMV摄像头模块和电机驱动模块，其中超声波测距模块和OpenMV摄像头模块需要外接在STM32处理器上与核心实时传输数据，系统总体工作框图如图2所示。
3.2程序设计
在前期进行方案确定后，针对题目要求，最终写出合适算法，进行控制。程序流程图如下：
3.2.1超声波模块子程序流程图
超声波模块子程序如图3所示。通过往返超声波的时间，来计算离地高度。
3.2.2摄像头模块程序流程图
摄像头模块程序是寻迹算法的核心，摄像头模块的程序流程如图4所示。
四、结束语
该无人机系统采用OpenMV摄像头模块，以STM32F103RCT6芯片为控制核心，在巡线算法上采用图像二值化的方法处理计算路径信息，能够平稳的完成自主巡线的功能。
参 考 文 献
[1]张捷.电力巡线无人机实时避障方法研究[J].科技风，2021（08）：195-196.
[2]余鹏，田杰，刘铁军，郗小鹏.电动多旋翼无人机在高压电路协同巡线中的应用[J].自动化技术与应用，2021，40（02）：34-37+54.
[3]丁多斌，冯向萍，丁燕，孙元明.基于STM32四轴无人机自主巡线设计[J].电子设计程，2021，29（02）：142-145.
[4]杨忠炯，王卉，董栋.无人机输电线路巡线系统及应用研究[J].电子设计工程，2017，25（04）：162-166.
[5]付昱玮，李字明，姜洪.无人机巡线的发展和应用研究[J].黑龙江科技信息，2014（03）：25-27.
[6]汤明文，戴礼豪，林朝辉，王芳东，宋福根.无人机在电力线路巡视中的应用[J].中国电力，2013，46（03）：35-38.
