基于STM32的四旋翼飞行器飞控系统设计

1四旋翼飞行器研究背景

四旋翼飞行器的构造与操作简单,且便于携带,载重量大,因此适用范围广。但是,鉴于四旋翼飞行器本身的属性,非线性系统不够稳定,难以实现人为直接控制,还需要结合自动控制技术,稳定飞行状态。因此,需要确保四旋翼飞行器飞控系统的有效性,从而保障其飞行性能和操纵能力。

四旋翼飞行器研究日益受到重视,四旋翼无人飞行器的优势在于垂直起降、携带方便、操作灵活,主要运用于影视、消防、农业等领域。本文研究基于STM32的四旋翼无人飞行器控制理论,硬件系统包括半导体的32位STM32系列微处理器以及传感器等,结合仿真系统完成四旋翼飞行器飞控系统设计。

2四旋翼飞行器研究方法

飞行器结构形式较直升机简单,没有拉杆、较链和传动等复杂结构,通过电机直接驱动而稳定飞行状态。根据旋翼数量可分为四旋翼、六旋翼、八旋翼、双层四旋翼,不同数量的旋翼,其载重能力和抗风性能也不同。本文研究的是设计结构并不复杂的四旋翼飞行器控制飞行系统。

传统直升机包括主转子与尾奖两部分,螺旋奖受控制舵机操控,飞行姿态与飞行点主要通过奖距角的调整得以实现。而多旋翼飞行器的飞行姿态调整,则直接通过四个电机转速的调控,调节旋翼转速与升力。图1为四旋翼飞行器工作原理,不同电机转动方向有所区别,相邻电机转动方向不同,遵循此规律,系统设计参照图1调整电机转动。

图1飞行器电机布局及飞行方向

为了提高升力,飞行器所有电机转速更快,从而使飞行形态向上运动,而且要稳定所有电机推力,飞行器向上运动的前提在于所有电机推力之和不低于飞行器本身的重量。飞行器向下运动则相反,所有电机转速降低,电机推力相对稳定且推力之和不高于飞行器自身重量。关于俯仰运动的操作,电机1和电机2,电机3和4电机分别为两组,电机1、电机2转速减缓,电机3、电机4转速提高,飞行器两端受力不一致,那么电机1、电机2一端则下降,电机3、电机4一端则仰起,完成俯仰飞行姿态。横滚运动与之原理相同,电机1、电机4与电机2、电机3分别为两组,完成左右横滚运动。偏航运动的实现,主要基于角动量守恒原理,分为电机1、电机3小组和电机2、电机4小组,相同小组的电机分别同时增加或减小转速,飞行器将以自身重心为基点,在空中旋转,减速电机方向即为转动方向。

飞行器前后左右的飞行姿态实现,则通过协调运动方向旋转的适度性,根据所要飞行的方向确定旋转角度,所有电机推力朝着旋转目标方向实现分力,确保飞行器能够稳定运行。根据以上分析发现,四旋翼飞行器的运动姿态分为上下、左右、前后、俯仰、横滚、偏航6种,要根据目标姿态而实现电机的有效控制,确保系统控制稳定性,人为手动操作难度高,因此要加强四旋翼飞行器自动控制系统的研究。

3四旋翼飞行器控制系统介绍

飞行器控制系统以STM32控制器为基础,系统分为主控制板、遥控器接收模块、wi-Fi通信模块、电机模块、电源模块等。

3.1电源模块

系统完成目标动作需要有电源支持,要确保四旋翼飞行器工作的相对稳定,作为系统的能源供给,飞行器不同元件需要设置不同电压,还要根据实际需要设计相应电路。如电机运行电压3.7V,主控模块、传感器、无线通信模块电压3.3V,需要稳定电源模块性能,确保系统各模块有充足的电力保障。本设计先升压,然后结合直流电路完成0.4V的降压。稳定电源实现系统工作模式,要科学设计电源模块,尽可能避免系统出错,飞控板电机驱动能够实现飞控系统操作。电源模块的设计遵循技术标准,通过上拉电阻完成驱动力要求。

3.2主控制板

中心控制模块是整个飞行控制系统的核心,其功能在于收集有关速率并加以计算,传感器将检测的角速率、加速度、航向等信息传送到中心控制模块,控制模块将信息加以整合,明确控制标准,保证输出控制的有效性,另外及时对遥控器控制指示加以回应。本设计结合STM32主控制器,及时进行飞行姿态与控制验算,主控器适用于不同传感器通信与遥控器信号处理需要,能够有效减少设计成本,因此其适用范围广,能够有效节约资源,适用于本设计需要。

3.3遥控器接收模块

电机实现四个旋翼的转速控制,主要通过主控模块的输出以及遥控器模块的接收,而明确执行遥控器指示,将其指示信号转换为PwM形式。然后传感器输出,实现不同旋翼的升力和反扭矩控制,遥控器接收模块有效保障飞行器的飞行安全性,减少开发成本,设计操作更为简便。

3.4Wi-Fi通信模块

无线通信模块实现飞行器控制模块与地面站的连接,结合无线通信模式而无线连接飞行器控制体系,及时收集飞行器有关参数与运行姿态,方便地面站根据需要而调整控制模块参数,很好地提升了参数调试效率。飞行器地面站主要以PC机方式,但目前通过手机软件的研发,有效提高了参数配置调整的便捷性。wi-Fi通信模块为四旋翼无人飞行器和地面遥控通信的纽带,本设计的无线传输距离不超过100m,根据1SM频段的单片无线收发器芯片,实现飞行器控制模块与地面站的连接,能够满足自动应答重发需要,操作相对简单。

3.5电机模块

四旋翼无人飞行器通过控制电机转速与方向,实现飞行器姿态与飞行位置的调整控制。较传统直升机相比,电机推力明显,且重量轻,有效减少器材的磨损,相较于传统直升机的既定优势,能够满足功率承量标准较高的情况,稳定电机性能,但电机飞行控制系统设计要实现自动化相对复杂,要结合专业电子驱动器加以完成,这就需要结合电机调速器,实现信号的转化与传输。基于STM32输出PwM脉冲信号控制电调,协调电机转速并控制飞行姿态和飞行位置。

4系统软件设计

四旋翼飞行器系统设计,为了实现自动化控制,驱动系统包括4输入6输出,四旋翼无人飞行器结构对称,因此俯仰角、横滚角等控制具有相同属性。四旋翼飞行器的飞行姿态控制,如俯仰、横滚、偏航、升降,主要结合4个输入量完成。微处理器具有初始化、系统自检、解算传感器数据、遥控信息解算、执行控制算法、计算并输出控制量等作用。

5结语

本文设计主要基于STM32控制器实现系统的自动化控制,有效调整四旋翼飞行器飞行姿态与飞行位置,增强控制器属性,单片机集成外设资源较多,不需要其他电路设备就能够实现系统控制。该系统实现了控制模块与地面站的有效联系,从而确保参数记录与参数配置调整更加便捷。