安徽师范大学物理与电子信息学院 安徽 芜湖 241000
摘 要：四轴飞行器具有结构简单、体积小、单位体积能产生更大升力等优点，在军用、民用等领域应用广泛。本设计采用STM32微处理器作为主控芯片，通过MPU6050惯性传感器扩展磁力计HMC5883输出9轴运动数据，利用2.4G模块进行遥控，并最终通过PID算法实现了飞行器的自主稳定飞行。
关键词：四轴飞行器 惯性传感器 PID算法
一、引言
四轴飞行器是无人飞行器的一种，飞行器的动力由四个旋翼式的飞行引擎提供。由于四轴飞行器具有结构简单、体积小、单位体积能产生更大升力等优点，使得四轴飞行器的应用范围越来越广泛，从军用到民用、商用领域都有涉及。近十几年来，随着微系统、传感器以及控制理论等技术的发展，四轴飞行器的研究取得了极大的进步。四轴飞行器的发展也更趋于小型化、多样化。本设计采用STM32微控制器作为运算处理单元，通过IIC总线读取惯性传感器数据，通过四元数算法和卡尔曼滤波算法进行融合后进行姿态解算，从而得到当前飞行器姿态角度。微控制器利用当前得到的姿态角度与期望的姿态角度作对比，得到偏差角度输入到PID控制算法，算法的输出控制四个电机的转动，从而实现飞行器自主稳定飞行。
二、系统结构
整个系统由主控单元、数据采集电路、通信电路、电机驱动电路和电源电路几部分组成。基本工作原理是：微控制器采集九轴运动传感器数据，通过算法解算出飞行器姿态，然后通过PID算法调节各个电机转速，实现飞行器的稳定飞行；通信模块接收遥控器发送的信号并传递微控制器，之后微控制器根据接收到的命令控制飞行器调整飞行姿态。系统结构框图如图1所示。
图1. 四轴飞行器结构框图
1.主控单元。主控单元采用意法半导体公司生产的STM32F103T8U6。芯片基于ARM crotex-M3内核,工作频率能达到72MHz，具有64KB的片内程序存储器，20KB的SRAM，1个SPI接口，1个IIC接口，2个USART接口以及2个10通道的ADC，足够满足系统要求。并且芯片具有VFQFPN36封装，大小仅为6mm*6mm，极大地节省了电路板上的空间。
2.数据采集电路。数据采集电路采用的是MPU6050惯性传感器、HMC5883磁力计和MS5611气压传感器。MPU6050惯性传感器内部集成3轴陀螺仪，3轴加速度计，通过芯片自带的从IIC接口扩展磁力计HMC5883后，可构成一个9轴的姿态输出模组。另外，芯片内自带一个数字运动处理器DMP，可以直接输出四元数，大大减少了CPU的运算时间。MS5611气压传感器是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和I2C总线接口的新一代高分辨率气压传感器，分辨率可达到10cm，可以准确地实现四轴飞行器的定高飞行。
3.通信电路。通信电路采用工作在2.4～2.5GHz通用ISM频段的无线收发芯片nRF24L01作为无线控制。无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。微控制器通过SPI总线控制24L01接收遥控器发送的信号，并相应改变飞行姿态。遥控器采用带有功率放大的无线模块，具有六个通道，可以实现飞行器的上下、左右、前后运动，并具有旋转控制和油门控制，能实现飞行器的灵活稳定飞行。
4.电机驱动电路。系统采用4个十字对称分布的直流电机提供升力，电机驱动电路由N沟道增强型场效应管搭建，通过STM32引脚输出的PWM信号控制电机的转速。
三、程序设计
系统上电后首先进行硬件的初始化，包括初始化时钟、定时器、IIC总线、SPI总线以及各种外部芯片等等。初始化完成后系统进入主循环。定时器每隔1ms中断一次，在中断程序中将全局变量count加1，当count等于100的时候清零。所以程序每隔10ms进行一次姿态解算，并经过PID算法控制4个电机的转速，调节飞行器姿态。每隔20ms接收无线遥控数据，并对指令进行解析，根据指令控制飞行器的各种动作。每隔100ms检查一次电池电量，当检测到电量不足时向遥控端发出提醒信号。
参考文献
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[5]NORDIC SEMICONDUCTOR Single chip 2.4GHz Transceiver nRF24L01[R].www.nordicsemi.com，2005。
论文作者:赵鹏
论文发表刊物:《教育学》2016年3月总第97期
论文发表时间:2016/5/11
标签：飞行器论文; 传感器论文; 电路论文; 算法论文; 姿态论文; 磁力计论文; 电机论文; 《教育学》2016年3月总第97期论文;