以STM32F4為控制核心的四軸航拍飛行器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要

本設(shè)計是基于STM32F4的四軸航拍平臺。以STM32F407為控制核心，四軸飛行器為載體，輔以云臺的航拍系統(tǒng)。硬件上由飛控電路，電源管理，通信模塊，動力系統(tǒng)，機架，云臺伺服系統(tǒng)組成。算法上采用簡潔穩(wěn)定的四元數(shù)加互補濾波作為姿態(tài)解算算法，PID作為控制器，實現(xiàn)飛行，云臺增穩(wěn)等功能。具有靈活輕盈，延展性，適應(yīng)性強好等特點。

1.引言

四軸飛行器是一種利用四個旋翼作為飛行引擎來進行空中飛行的飛行器。進入20世紀(jì)以來，電子技術(shù)飛速發(fā)展四軸飛行器開始走向小型化，并融入了人工智能，使其發(fā)展趨于無人機，智能機器人。

四軸飛行器不但實現(xiàn)了直升機的垂直升降的飛行性能，同時也在一定程度上降低了飛行器機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度。四軸飛行器的平衡控制系統(tǒng)由各類慣性傳感器組成。在制作過程中，對整體機身的中心、對稱性以及電機性能要求較低，這也正是制作四軸飛行器的優(yōu)勢所在，而且相較于固定翼飛機，四軸也有著可垂直起降，機動性好，易維護等優(yōu)點。

在實際應(yīng)用方面，四軸飛行器可以在復(fù)雜、危險的環(huán)境下可以完成特定的飛行任務(wù)，也可以用于監(jiān)控交通，環(huán)境等。比如，在四軸飛行器上安裝甲烷等有害氣體的檢測裝置，則可以在高空定點地檢測有害氣體；進入輻射區(qū)檢查核設(shè)施；做軍事偵察；甚至搬運材料，搭建房屋等等。本設(shè)計利用四軸搭載云臺實現(xiàn)航拍任務(wù)，當(dāng)然經(jīng)過改裝也可以執(zhí)行其他任務(wù)。

本設(shè)計主要研究了四軸飛行器的姿態(tài)結(jié)算和飛行控制，并設(shè)計制作了一架四軸飛行器，對關(guān)鍵傳感器做了標(biāo)定，并利用用matlab分析數(shù)據(jù)，設(shè)計算法，還進行了單通道平衡試驗調(diào)試，進行試飛實驗取得了一定的效果。

2.系統(tǒng)方案

本設(shè)計采用STM32F4作為核心處理器，該處理器內(nèi)核架構(gòu)? ARM?? Cortex-M4，具有高性能、低成本、低功耗等特點。

主控板包括傳感器MPU6050電路模塊、無線藍(lán)牙模塊、電機啟動模塊，電源管理模塊等；遙控使用商品遙控及接收機。控制芯片捕獲接收機的PPM命令信號，傳感器與控制芯片之間采用IIC總線連接，MCU與電調(diào)之間用PWM傳遞控制信號。

軟件算法才用基于四元數(shù)的互補濾波解算姿態(tài)叫，控制算法才用經(jīng)典PID控制器控制云臺舵機和四軸電機。如圖2-1為本設(shè)計總體框圖。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

針對前面提出的整體設(shè)計方案，本設(shè)計采取模塊化策略,將各個功能部分開來設(shè)計，最后組合起來。

3.1 電源管理模塊

四軸飛行器要求整體設(shè)計質(zhì)量較輕，體積較小，因此在電池的選取方面，采用體積小、質(zhì)量輕、容量大的鋰電池供電最合適。系統(tǒng)的核心芯片為STM32F103，常用工作電壓為3.3V，同時慣性測量傳感器，藍(lán)牙通信模塊的常規(guī)供電電壓也為3.3V，鋰電池的電壓為11.4V，要使系統(tǒng)正常工作，需要將11.4V的鋰電池電壓穩(wěn)壓到3.3V。常用的78系列穩(wěn)壓芯片已不再適用，必須選擇性能更好的穩(wěn)壓芯片。

經(jīng)綜合考慮，本電路采用LM1117-3.3和LM2940-5電源部分的核心芯片。電池電源經(jīng)過LM2940-5降到5V后在輸入LM1117-3.3穩(wěn)壓為3.3V。由于電機部分電流較大，故在飛控電路部分加入了過流保護，使用500mA的保險絲。電路圖如下。

2.2