基于ARM的四旋翼无人飞行器控制系统.
毕业论文基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计
2016 南阳理工学院本科生毕业设计论文学院系电子与电气工程学院专业电子信息工程学生指导教师完成日期南阳理工学院本科生毕业设计论文基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计Autonomous control system for the quadrotor unmannedaerial vehicle based on ARM processors总计毕业设计论文25 页表格0 个插图20 幅3 南阳理工学院本科毕业设计论文基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计Autonomous controlsystem for the quadrotor unmanned aerial vehicle based on ARM processors学院系电子与电气工程学院专业电子信息工程学生姓名学号指导教师职称评阅教师完成日期南阳理工学院Nanyang Institute of Technology4基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计[摘要]针对改变传统以单片机为处理器的四旋翼自主控制飞行器控制方式的问题设计了一种基于嵌入式ARM的飞行控制系统的设计和实现方案。
这是一种基于ARM的低成本、高性能的嵌入式微小无人机飞行控制系统的整体方案。
详细介绍了控制系统的总体构成以及硬软件设计方案包括传感器模块、视屏采集模块、系统核心控制功能模块、无线通信模块、地面控制和数据处理模块。
实验结果表明该设计结合嵌入式实时操作系统保证了系统的高可靠性和高实时性能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求。
[关键词]ARM四旋翼自主飞行器控制系统。
Autonomous control system for the quadrotor unmannedaerial vehicle based on ARM processors Abstract In order to change the conventional control of four—rotor unmanned aerial vehicles using microcontroller as the processor a solution of flightcontrol system based on embedded ARM was presented which is low-cost,small volume, low power consumption and high performance. The purpose ofthe work is for attending the National Aerial Robotics Competition. The mainfunction of the system the hardware structure and the software design werediscussed in detail including the sensor module the motor module the wirelesscommunication module With embedded real time operating system to ensurethe system’s high reliability and real-time performance the experiments resultsshow that the requirements of flight mode are satisfied including taking ofhovering and landing and so onKey words ARM four-rotor unmanned aerial vehicles control system5 of the control signals 1 四旋翼飞行器的简介 1.1题目综述微型飞行器MicroAir Vehicle/MAV的概念最早是在上世纪九十年代由美国国防部远景研究局DARPA提出的。
基于ARM的四旋翼飞行器设计
基于ARM的四旋翼飞行器设计作者：马海琴叶俊明苏鹏鉴来源：《电子技术与软件工程》2015年第10期四旋翼飞行器是一种结构新颖、性能优越的垂直起降飞行器，具有操作灵活、带负载能力强等特点。
根据设计方案采购飞行器机体模型，选择直流无刷电机，功能强大的微处理器、传感器等元器件以满足系统需要。
根据系统动力学模型设计控制算法，设计四旋翼飞行器控制系统控制规律。
【关键词】ARM 无刷电机陀螺仪磁力计无线控制1 飞行控制系统总体设计系统核心控制器为ARM cortex—M3内核的单片机；惯性测量元件（IMU）提供飞行器姿态的数据等信息；高度传感器采用超声波传感器；GPS接收机输出飞行器的位置信息；无线数据模块用于飞行器与地面站的数据通信。
地面传回飞行器信息，向飞行器发送控制指令。
2 飞控系统硬件设计2.1 飞控核心板设计主控芯片选用意法半导体公司的ARM Cortex—M3内核。
其功耗低，处理速度快，拥有丰富的固件库，适合飞控板的开发。
飞控板需外加两个晶振电路。
8M晶振作为系统外部时钟，为系统提供时钟信号；32.768K晶振用于系统的实时时钟电路。
2.2 传感器数据采集及通信接口设计2.2.1组合导航系统数据采集组合导航系统采用惯性导航与GPS结合的方案，为无人机提供可靠性好和精确度高的导航信息。
惯性导航系统选择基于MEMS技术的惯性传感器，结合卡尔曼滤波算法及三轴磁力计温度补偿进行姿态解算和估计。
传感器输出的数字信号通过串口发送。
2.2.2超声波传感器用于测量高度的超传感器采用SensComp公司的615088传感器。
采用捕获中断方式测得超声波发送信号与经障碍物反射的信号，做差换算得到超声波模块与障碍物的距离。
实测在10 m范围内的距离，误差不超过0.1%，满足四旋翼飞行器飞行的精度要求。
2.2.3无线数传模块本方案所选用的无线传输模块，在开阔地的传输距离可达800 m。
主控芯片通过无线传输模块与PC机进行通信，传送获得的飞行数据到PC机以监测飞行状态，同时PC机也可以向飞行器传送控制指令。
基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计
基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计引言：四旋翼无人机近年来逐渐走向商业化和日常生活化，广泛应用于航拍、货运、农业等领域。
为了保证飞行器的平稳、安全飞行，需要设计一个可靠的控制系统。
本文基于STM32单片机，设计了一种适用于四旋翼飞行器的控制系统。
一、硬件设计1.主控板主控板采用STM32单片机，该单片机具有高性能、低功耗、强大的控制能力等优势。
它能够完成飞行器的数据处理、控制输出等任务。
2.传感器为了获取飞行器的姿态信息，需要使用加速度传感器和陀螺仪。
加速度传感器用于测量飞行器的加速度，陀螺仪用于测量飞行器的角速度。
这些传感器通常被集成在一块模块上，直接连接到主控板。
3.遥控器为了实现飞行器的遥控操作，需要使用遥控器。
遥控器通过无线通信与主控板进行数据传输，控制飞行器的起降、悬停、转向等操作。
4.电源管理飞行器控制系统需要提供可靠的电源供电。
因此，需要设计一个电源管理模块，包括锂电池、电池充电管理电路和电源开关等。
二、软件设计1.姿态估计通过加速度计和陀螺仪的数据，使用滤波算法（如卡尔曼滤波）对飞行器的姿态进行估计。
根据姿态的估计结果，可以计算出飞行器的控制输出。
2.控制算法针对四旋翼飞行器，常用的控制算法有PID控制算法和模糊控制算法。
PID控制算法通过比较飞行器的期望姿态和实际姿态，计算出相应的控制输出。
模糊控制算法可以根据模糊规则和模糊集合来计算出控制输出。
3.通信模块为了实现与遥控器之间的无线通信，需要使用无线通信模块，例如蓝牙模块或者无线射频模块。
通过与遥控器进行数据传输，可以实现遥控操作，并接收遥控器发送的命令。
三、控制流程1.初始化飞行器启动时，首先进行传感器的初始化，包括加速度传感器和陀螺仪的初始化。
然后进行电源管理的初始化，确保电源供电正常。
2.传感器数据采集通过传感器采集飞行器的姿态数据，包括加速度和角速度。
3.姿态估计根据传感器采集的数据，使用滤波算法对飞行器的姿态进行估计。
基于ARM内核单片机的四旋翼直升机飞行控制系统设计
基于ARM内核单片机的四旋翼直升机飞行控制系统设计关键字：ARM内核单片机飞行控制图为：STM32物联网云应用开发板摘要：四旋翼直升机具有4个呈交叉结构排列的螺旋桨，其独特的构型能够满足复杂环境中的任务需求。
文中设计了一种四旋翼直升机飞行控制系统软硬件方案，通过传感器实时采集四旋翼的姿态、高度、位置等信息，采用PID算法设计飞行控制律，以ARM Cortex—M3内核高性能单片机作为主控制器。
最后采用CVI开发的地面站软件实现在线数据采集与调参，并通过实际飞行验证了本方案的可行性与稳定性。
关键词：四旋翼直升机；飞行控制；单片机；惯性导航系统四旋翼飞行器(Ouadrotor，Four-rotor，4rotors helicopter，X4-flver等)是一种特殊构型的电动可遥控微型飞行器，它是由4个螺旋桨驱动，通过4个螺旋桨的差速来完成姿态控制。
四旋翼飞行器与其他类型的无人机相比具有许多优点，其中主要是其可垂直起降及机动性强等性能，能够适应各种复杂环境。
因此四旋翼飞行器在民用产品、军事武器等各方面有着广泛的应用前景。
文中将介绍四旋翼飞行器控制系统的软硬件设计方案与实现。
1飞行控制系统总体设计四旋翼飞行器控制系统的设计主要包括主飞行控制板和相关外围电路，结合惯性传感器、超声波传感器、GPS接收机、无线数传模块，并配套自行开发的地面站软件设计实现一套完整的四旋翼飞行器自主飞行控制系统。
四旋翼飞行器飞行控制系统的开发内容主要包括：飞控板及外围电路设计，传感器底层驱动开发，PWM控制信号的混控输出，飞行控制律程序设计以及地面站软件的设计与开发。
飞控系统的总体设计方案如图1所示。
系统核心控制器为一款基于ARM cortex—M3内核的单片机；惯性测量元件(IMU)主要提供解算飞行器姿态的数据等信息；高度传感器采用超声波传感器，输出相对地面的高度信息；接收机接收遥控器发出的杆量信号，这些信号将用于控制器的输入；GPS接收机输出飞行器的位置信息；无线数据传输模块用于飞行器与地面站的数据通信。
基于ARM单片机四旋翼飞行器控制器设计
本科毕业论文（设计）基于ARM 单片机的四旋翼飞行器 控制器设计系 （部）专 业学 号学生姓名指导教师提交日期中工 信商概要近几年，微小型的四旋翼无人机已逐渐成为无人机领域的研究热点。
由于其灵活性，机体结构简单，维修方便等优点，并且可以在空中悬停，垂直起飞和着陆。
所以它在军事和民用领域巨大的应用潜力，在架构设计和飞行控制国内外许多研究机构的研究也致力于四个旋翼无人机飞行控制系统，以实现四个旋翼无人机自主飞行]10[。
四旋翼无人机飞行控制系统的重要组成部分是其机载的传感器系统，由于它为机载控制系统提供了可靠的飞行状态信息，因此是实现四旋翼无人机自主飞行的重要设备之一。
本论文设计了一种基于ARM处理器作为主控制器的四旋翼飞行器，由MTi.G惯性导航一体机，高精度声纳传感器和无线遥控器为主的机载传感器系统。
该系统已经完成了航班状态信息的采集和处理，与空气中的控制器，实现了四旋翼飞行器空中自主悬停控制。
使用现有的机载控制器硬件平台的ARM嵌入式控制器的功能是构建一个功能完善，和机载传感器系统（微型姿态航向参考系统和声纳传感器）的采集和处理测量的数据，对采集到的数据以及遥控数据进行一定的PID算法的计算]2[，进而控制四个无刷直流电机的转动，实现可四旋翼飞行器的稳定飞行。
关键字：四旋翼无人机声纳传感器无刷直流电机Four rotor aircraft design based on ARM single chipmicrocomputerABSTRACTIn recent years，quadrotor helicopter has become a hotspot of the research about unmanned aerial vehicle(UA V)．It has high maneuverability，easy maintance，simple configuration, and the ability of agile hovering，vertical taking off and landing(VTOL)．Because of their huge potential application values for civil and military utilization，researches on the architecture of flight control system(FCS)are conducted by many universities and companies to achieve autonomous flight control of quadrotors．Onboard sensor system is a very important component of flight control system because it will supply reliable flight informations of quadrotor for the flight controller.In this paper，a self assembled quadrotor helicopter is used as the airframe for the flight control system design．An attitude measuring method based on ARM processor is proposed, which gives out attitude informations of medium and low accuracy. The data acquisition and processing about the flight information of quadrotor is accomplished．The qutonomous hovering control of quadrotor cooperating with flight control system onboard is achieved．A complete platform of flight control system onboard is estibalished by there—development of ARM embedded controller to make it possible for the scource code to be run on the ARM embedded controller．Onboard data accquiration and processing are implemented．Then PID algorithm for computing some of the collected data, and then control four brushless DC motor rotation, achieve stable flight four rotary wing aircraft.Keywords:Quadrotor ARM AHRS Sonar Four brushless DC motor rotation目录1 绪论 (1)1.1 研究的前景与意义 (1)1.2 国内外的研究现状 (1)2 设计任务 (3)2.1 设计要求 (3)2.2 使用说明 (3)3 四轴飞行器样机结构与硬件选择 (4)3.1 样机结构与系统结构 (4)3.2 硬件设计与选型 (6)3.2.1 核心板 (6)3.2.2 陀螺仪 (6)3.2.2 超声波模块 (7)3.2.3 电源模块 (8)3.2.4 电机模块 (9)3.2.5 无线通信与显示 (10)4 程序设计与调试 (12)4.1 飞行器姿态导航的数据的采集 (13)4.2 声呐传感器数据的采集 (14)4.3 电机的控制 (15)4.5 调试 (16)结论 (18)参考文献 (19)致谢 (20)附录 (20)1 绪论1.1 研究的前景与意义四旋翼无人飞行器拥有很多优点和广阔的应用前景。
基于单片机四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现
篓
基 于 单 片 机 四 旋 翼 无 人 飞 行 器 控 制 系统 设 计 与 实 现
黄 静 怡
（ 茂名技 师学 院 ，广 东 茂 名 ５ ２ ５ ０ ０ ０ ）
［ 摘要］ 四旋翼无人 飞行 器具有可垂直起 降 、定点悬停 、机动灵活等优点 ，有 着广泛 的应用价值 ，因此 对其控 制 系统
萨
图 ２ 设备 飞行状态 图
无 人 飞行 器 的框 架结 构 如 ３所示 。 示 屏 外启 后
能 反 映设 备相 火 参数 ，方便 使 川 １并 按需 调 节 。 内部 主控 模 块 为 单 片 机芯 片 ，飞 行 过程 中能 实 现 埘 飞行 装 置 移 动 姿 态 和速 度 的 凋控 。
Hale Waihona Puke 设计展 开研 究具 有十分重要 的意义。介绍一种基 于单片机的四旋翼无人飞行 器控制 系统设计 总体 方案 ，并分
析其硬软件设计 。
关键 词 单 片机 四旋 翼 无人 飞行 器 控 制 系统
中 图分类 号
Ｔ Ｐ ８ ７ ２
行。 １ 个 电机 ｒ ｆ １ ．２个 同 向 旋 转 ．另 外 ２个逆 向 旋 转 ． 从 而实 现旋 转 力 的 消 除 。本 文 所 研 究 的无 人 飞 行 器 主 要 “ 十字 ”形 行驶 ，按 照设 汁 ．装 置 ｊ 的 电机 １主蛰 控 制 九 人 飞行器 沿 ． ｒ 轴 向正前 方 运 动 ， Ｉ Ｔ ｉ ｆ 电机 ２主要控 制 无 人
控 制 系 统 的设 计 直接 关 系 到 飞 行 器 的 性 能 ， 凶此 本 文 将
行 器 沿 着 轴 向 左侧 运 动 ，另外 ２ 个 电机 则控 制 无人 飞 仃
器 向相 反方 向运 动 。这 款无 人 飞行 器 总共 可按 照 ６种 状 念 行驶 ．如 ２所 示 。
基于STM32的四旋翼无人机智能控制方法设计
基于STM32的四旋翼无人机智能控制方法设计四旋翼无人机是一种应用广泛的无人机类型，它由四个同心排列的旋翼组成，能够提供稳定的飞行能力。
在基于STM32的四旋翼无人机智能控制方法设计中，我们需要考虑飞行稳定性、遥控操控能力以及自动控制能力等方面。
首先，为了保证飞行的稳定性，我们可以采用PID控制方法。
PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成，可以根据飞行状态的误差来调整旋翼的转速。
通过调整PID参数，可以使得飞行器能够更好地保持平衡。
在STM32上，我们可以通过编程来实现PID控制器，并将其与四个旋翼的电机连接起来。
其次，为了实现遥控操控能力，我们可以利用STM32的GPIO口和UART通信接口来实现无人机与遥控器之间的通信。
遥控器通过按键或摇杆等控制方式发送信号给STM32，STM32将接收到的信号解码后，将其转化为相应的控制指令，再发送给飞行器的电机。
利用STM32的中断功能，我们可以实现快速响应遥控指令的功能，使得飞行体验更加流畅。
最后，为了提高无人机的自动控制能力，我们可以加入一些传感器，例如陀螺仪、加速度计和姿态传感器等。
这些传感器可以实时感知无人机的飞行状态，例如俯仰角、滚转角和偏航角等。
通过将传感器的数据传输给STM32，我们可以根据具体的飞行算法来实现自动控制功能，例如自动起飞、自动降落和自动悬停等。
在基于STM32的四旋翼无人机智能控制方法设计中，我们需要结合硬件设计和软件设计。
硬件方面，我们需要设计电机驱动电路、通信电路和传感器接口电路等。
软件方面，我们需要进行编程，实现PID控制算法、遥控通信协议和传感器数据处理算法等。
综上所述，基于STM32的四旋翼无人机智能控制方法设计是一个复杂的系统工程，需要考虑飞行稳定性、遥控操控能力和自动控制能力等方面的要求。
通过合理的硬件设计和软件编程，我们可以实现一个功能强大、性能优越的四旋翼无人机。
基于STM32的四旋翼飞行控制系统毕业设计
例如在高空电力线巡检中，无人机能在工作人员的操控下进行工作，可以代替人工对巡检对象实施接近检测，减少工人的劳动强度。也可以携带传感仪器、摄像机等，对巡检对象进行数据收集、分析与存储，这进一步提高巡检的工作效率和巡检精度。在军事上，在局部小规模对战的时候，一些普通的侦察机，可能受到敌方打击而造成不必要的机体人员伤亡，无人机则可以很好地起到替代作用。利用四旋翼飞行器作为侦察机，具有振动小、噪声小、可靠性高、成本低、反侦察能力强、自我销毁等优势。因此无人机的军事价值不可估量。四旋翼飞行器还有着更为广阔的前景等待着开发。比如可以通过为飞行器的添加更加智能的算法实现人机互动，让飞行器帮人取物件等。
1
6
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电源模块的原理图如图4.1所示。图里的5V电源来源于电子调速器的BEC降压系统。
图4.1电源模块电路图
4.1.2STM32F407最小系统
STM32F407VET6是意法半导体基于CORTEX-M4内核的芯片，STM32F407拥有的资源包括：集成FPU和DSP指令，并具有192KBSRAM、1024KB FLASH、12个16位定时器、2个32位定时器、2个DMA控制器（共16个通道）、3个SPI、2个全双工I2S、3个IIC、6个串口、2个USB（支持HOST /SLAVE）、2个CAN、3个12位ADC、2个12位DAC、1个RTC（带日历功能）、1个SDIO接口、1个FSMC接口、1个10/100M以太网MAC控制器、1个摄像头接口、1个硬件随机数生成器、以及112个通用IO口等。该芯片的配置十分强悍，具有卓越的性能。相对STM32F1来说，许多功能进行了重大改进。STM32最小系统电路图如图4.2所示。
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第 28卷第 10期 2011年 10月机电工程Journal of Mechanical ＆Electrical EngineeringVol．28No．10Oct．2011收稿日期 :2011－03－24作者简介 :刘乾 (1986－ , 男 , 河南驻马店人 , 主要从事嵌入式技术及网络通信方面的研究．E-mail :qianustb@163．com 通信联系人 :孙志锋 , 男 , 副教授 , 硕士生导师．E-mail :eeszf@zju．edu．cn 基于 ARM 的四旋翼无人飞行器控制系统刘乾 , 孙志锋*(浙江大学电气工程学院 , 浙江杭州 310027摘要 :为改变传统以单片机为处理器的四旋翼无人飞行器的控制方式 , 提出了一种基于嵌入式 ARM 的飞行控制系统的设计和实现方案。
详细介绍了控制系统的总体构成以及硬、软件设计方法 , 包括传感器模块、电机模块、无线通信模块。
试验结果表明 , 该设计结合嵌入式实时操作系统 ,保证了系统的高可靠性和高实时性 , 能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求。
关键词 :ARM ; 四旋翼无人飞行器 ; 控制系统中图分类号 :TP277; TH39文献标志码 :A文章编号 :1001－4551(2011 10－1237－04Four-rotor unmanned aerial vehicles control system based on ARMLIU Qian , SUN Zhi-feng(College of Electrical Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310027, ChinaAbstract :In order to change the conventional control of four-rotor unmanned aerial vehicles using microcontroller as the processor , a solution of flight control system based on embedded ARM was presented．The main function of the system ,the hardware structure and the software de-sign were discussed in detail ,including the sensor module , the motor module , the wireless communication module．With embedded real time operating system to ensure the system ’ s high reliability and real-time performance , the experiments results show that the requirements of flight mode are satisfied , including taking off , hovering , and landing and so on．Key words :ARM ; four-rotor unmanned aerial vehicles ; control system0引言近年来 , 随着新型材料以及飞行控制技术的进步 , 小型四旋翼低空无人飞行器得到了迅速发展 , 在军事和民用领域具有广阔的应用前景。
和传统的直升机相比 , 它有着自身的优势 :当前后两个旋翼逆时针旋转 , 而左右两侧的旋翼顺时针旋转时 , 则尾桨控制和旋翼倾斜问题可以被忽略[1]。
但由于小型四旋翼低空飞行器是一个具有 4个输入力 , 同时却有 6个输出的欠驱动系统 ,具有多变量、非线性等特性 , 这使得飞行控制系统的设计变得比较困难。
目前的飞行器控制系统多采用单片机来完成姿态控制 , 存在硬件资源有限、运算和处理速度慢等问题。
本研究选用 32位 ARM 处理器 , 并且可以内嵌实时操作系统 , 和传统的控制方式相比 , 外设资源更丰富 , 性能更好。
本研究从小型四旋翼飞行器的机型特点和实际需要出发 , 结合 ARM 控制器的优越性能 , 探讨小型四旋翼飞行器控制系统的硬、软件实现方案。
1系统工作原理和结构框架1. 1四旋翼飞行器工作原理四旋翼飞行器上下的垂直运动是通过 4个旋翼同时增速 (减速得到的 , 当 4个旋翼的升力之和等于飞行器的自重时 ,飞行器便保持悬停。
水平面内的前后运动是在旋翼 1、 2分别增速 (减速的同时 , 旋翼 3、 4减速 (增速 , 这样机身就会发生向后或者向前的倾斜 , 得到水平面内的前后运动 ; 俯仰运动是通过旋翼 1、 3速度不变 , 旋翼 2增速 (减速的同时 , 旋翼 4减速机电工程第 28卷(增速来实现的。
相似地可以得到滚转运动 :即旋翼 1增速 (减速 , 同时旋翼 3减速 (增速。
通过组合以上的基本运动 , 可以实现小型四旋翼飞行器的各种复杂运动 [2]。
四旋翼飞行器的结构俯视图如图 1所示。
图 1小型四旋翼飞行器结构俯视图1. 2控制系统总体框架小型四旋翼飞行器的飞行控制系统通常由传感器测量装置、主控制器和驱动电机等部分组成。
传感器用来测量四旋翼飞行器的飞行状态信息 , 主控制器根据这些传感器反馈回来的状态信息、预先给定的状态和现场无线输入的控制指令信息进行处理 , 使控制系统根据控制算法处理结果输出 4路 PWM 信号控制电机转速 , 以实现自动调节旋转力矩来稳定飞行姿态。
整个四旋翼飞行器控制系统主要分为机载控制部分和地面控制部分。
机载部分系统结构框图如图 2所示。
图 2飞行控制系统结构框图2系统硬件设计本研究采用 ST 公司生产的 STM32F103RCT6作为系统的主处理器。
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计的 ARM Cor-tex-M3内核。
它主要负责采集传感器检测到的姿态角速率 (俯仰角速率、横滚角速率和偏航角速率、三轴的线加速度和航向信息并实时解算 ; 根据检测到的飞行信息 , 结合既定的控制方案 , 计算输出控制量 ; 通过无线通信模块与地面进行数据的传输 , 实现接收控制命令改变飞行状态和下传飞行状态数据。
2. 1传感器模块小型四旋翼低空飞行器在某个时刻的状态由 6个物理量来描述 , 包括在三维坐标中的 3个位置量和沿 3个轴的姿态量 (即称为六自由度。
惯性传感器有两种类型 :陀螺仪和加速度计。
陀螺仪起到测量四旋翼飞行器的角速率的作用 , 在惯性导航系统中非常重要。
因此 , 精度和稳定性可作为陀螺仪选型的重要原则。
本研究选用 ADI 公司的角速率陀螺仪 ADXRS150, 负责采集四旋翼飞行器 3个方向的角速率 (俯仰角速率、横滚角速率、偏航角速率。
该陀螺测量精度达到 150ʎ /s, 其工作电压为 5 V 。
加速度传感器起到感应飞行器 3个轴向的线加速度的作用。
本研究的应用环境主要是室外的低速运动场合 , 因此每个轴向的加速度并不大。
根据这个选型原则 , 本研究选用 Kionix 公司体积小、功耗低、高灵敏度的三轴加速度传感器KXM52-1050。
它是一款数字式传感器 , 灵敏度为 660mV /g。
在惯性导航算法中 , 导航参数会随着传感器的测量误差积累而发散 , 因而不能满足长时间自主飞行的需要 , 故选用霍尼韦尔公司的三轴式数字罗盘HMR3300对惯性导航系统进行姿态校准。
它的工作电压是 5V , 采用 UART 协议通信 , 经过转换电路之后可以和 STM32的 SCI 口通信 , 并且自带模数转换 , 以便与微处理器直接通信。
2. 2电机控制模块本研究采用 PWM 控制直流电机的转速。
小型四旋翼低空飞行器的动力系统由电机、减速齿轮和旋翼组成。
电机选择 1225FE33型号的铁心电机。
直流电机是功率器件 , 需要很大的驱动电流 , 控制器的驱动能力有限 , 因此必须选用专门的驱动芯片 [3]。
本研究采用 LG 生产的集成芯片 LG9110来控制和驱动直流电机 , 该芯片两个输出端能直接驱动电机的正反向运动 , 它具有较大的电流驱动能力 , 每通道能通过 750mA 800mA 的持续电流 ; 同时它具有较低的输出饱和压降 , 使它在实现驱动直流电机的功能上更安全可靠。
由于飞行器的电机在转动过程中会产生比较大的冲击电流 , 为了提高飞行控制系统的可靠性 , 本研究需要对 STM32输出的 PWM 信号进行隔离。
飞行器选用锂电池供电 , 光电耦合器进行信号隔离时 , 工作电流大 , 锂电池供电能力无法满足要求。
ADI 公司的 iCou-pler 系列数字隔离器将 CMOS 与芯片级变压器技术相结合 , 大大降低了电路板的体积和功耗。
电机隔离电·8321·第 10期刘乾 , 等 :基于 ARM 的四旋翼无人飞行器控制系统路如图 3所示 , 数字隔离器 ADuMl400实现了 4路 PWM 信号的隔离。
图 3电机隔离电路2. 3无线通信模块无线通信模块是四旋翼无人飞行器和地面控制中心之间通信的桥梁。
本研究要求的无线传输距离为 100m 左右 , 故选用 Nordic VLSI 公司推出的单片射频收发器芯片 nRF905[4]。
nRF905芯片工作在 433MHz 的 ISM 频段 , 工作电压为 3. 3V , 使用 SPI 接口与 STM32通信 , 配置和使用非常方便。
此外 , nRF905芯片功耗非常低 , 以－10dBm 的输出功率发射时电流只有 11mA , 接收信号时电流只有12. 5mA , 在 100m 之内传输稳定可靠。
具体的硬件连接如图 4所示。
图 4STM32与 nRF905硬件连接图3软件设计3. 1总体设计四旋翼飞行器控制系统软件设计的总体目标是启动飞行控制系统的各个功能模块并使之正常工作 , 按照既定规划实现稳定飞行。
由于四旋翼飞行器为六自由度的系统 , 而其控制量只有 4个 , 这就意味着被控量之间存在耦合关系 [5], 所设计的控制算法应能够对这种欠驱动系统足够有效 , 用 4个控制量对 3个角位移量和 3个线位移量进行稳态控制。
本研究在得到四旋翼飞行器的动力学方程之后 , 适当地选取控制量 , 运用控制理论中经典的 PID 控制算法对飞行器系统进行控制。
图 5系统启动流程图飞行控制系统的中央控制模块主要完成系统初始化、系统自检、解算传感器数据、导航信息解算、执行控制算法、计算并输出控制量等功能。