基于stm32的四旋翼飞行器的设计


0 引言 近年来,四旋翼飞行器技术日臻完善,由于其具 有成本低、性能高、机动性能好和制作简单等独特优 势,被广泛的应用于航拍、消防、测绘、指挥、巡检等 领域。本文重点研究四旋翼飞行器的系统性能和算 法,以实现飞行器基本稳定的飞行。 1 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器的旋翼形状一致,对称分布在机 体的十字支架端,通常会在支架中间空间安放飞行 控制设备和外部设备[1],结构形式如图一所示。四旋 翼空间结构一般是中心对称的,这样有助于提高整 体结构的稳定性。 2 工作原理 四旋翼飞行器是通过调节四个电机转速来实现 每个电机升力不同的变化,从而调整四旋翼飞行器 的姿态和位置[2]。四旋翼飞行器沿各自由度的运动 示意图如图二所示。 基于 STM32 的四旋翼飞行器的设计 欧阳欢 谢 亮 (江西财经大学软件与通信工程学院,江西 南昌 330000) 摘要:四旋翼飞行器飞行效果的优劣取决于控制系统的性能和算法。本文设计的四旋翼飞行器的微处理器是 STM32,利用 MPU6050 采集飞行器的姿态信息,借助 PID 算法调整系统 PWM 输出占空比,从而调整飞行器的 运动。反复的试验表明,本设计能够实现四旋翼飞行器的基本飞行动作。 关键词:四旋翼飞行器;STM32;PID 中图分类号:V22;TP273 文献标识码:A 文章编号:1671-4792(2016)11-0180-03 Design of Quad-rotor Based on STM32 Micro-Controller Ouyang Huan Xie Liang (School of Electric Information Engineer,Jiangxi University of Finance and Economics,Jiangxi Nanchang 330000) Abstract:The performance of four-rotor aircraft depends on the performance and algorithm of the control system. In this paper, the quad-rotor, with a STM32 Micro-Controller, use MPU6050 to collect the state information of the air- craft and the PID algorithm to adjust the system PWM output duty cycle, thus adjusting the movement. The results show that the design can achieve basic flight of the four-rotor aircraft. Keywords:Quad-rotor;STM32;PID 2016 年第 11 期 总第 180 期科 技 广 场 图一 四旋翼飞行器的结构形式 180—— DOI:10.13838/j.cnki.kjgc.2016.11.044 2.1 垂直运动 在图二(1)中,同时加快每个电机的转速,当上 升力大于整个四旋翼飞行器的重量,飞行器垂直上 升;如果同时减慢每个电机的转速,当上升力小于其 重量,飞行器垂直下降;若上升力等于其重量,飞行 器悬停。 2.2 俯仰运动 在图二(2)中,加快电机 1 的转速,减慢电机 3 的转速,电机 2、4 的转速保持不变,旋翼 1 上升,旋 翼 3 下降;同理,可以实现旋翼 1 下降,旋翼 3 上升, 由此实现了飞行器的俯仰运动。 2.3 滚转运动 在图二(3)中,由于结构对称,所以滚转飞行的 工作原理与俯仰运动完全一样。 2.4 偏航运动 在图二(4)中,当加快电机 1 和电机 3 的转速, 减慢电机 2 和电机 4 的转速时,旋翼 1 和旋翼 3 对 机身的反扭矩大于旋翼 2 和旋翼 4 对机身的反扭 矩,机身便在富余反扭矩的作用下顺时针转动,从而 令飞行器进行偏航运动。 2.5 前后运动 在图二(5)中,加快电机 3 转速,使拉力增大,相 应减慢电机 1 转速,使拉力减小,同时保持其他两个 电机转速不变,反扭矩仍然要保持平衡。按图(2)的 理论,飞行器首先发生一定程度的倾斜,从而使旋翼 拉力产生水平分量,飞行器会进行前飞运动。 2.6 侧向运动 在图二(6)中,由于结构对称,所以侧向飞行的 工作原理与前后运动完全一样。 3 系统组成 系统微处理器采用 STM32 芯片,该芯片通过 读取 MPU6050 采集的数据,来确定飞行器所处的 状态,进行相应的数据处理,从而进一步控制飞行器 的运行轨迹[3]。四轴飞行器硬件部分主要由供电电 源、无线收发、姿态采集、LED 显示、驱动电机和控 制器部分等构成[4]。硬件系统构成如图三所示,软件 系统构成如图四所示。 4 实验结果 经过反复的飞行实验验证,本文所设计的四旋 翼飞行器可实现基本稳定的飞行。 5 结束语 本文设计了一种基于 STM32 的四旋翼飞行 器,其操作简单、成本低廉,可实现基本飞行动作,达 (5)前后运动 (6)侧向运动 (1)垂直运动 (2)俯仰运动 (3)滚转运动 (4)偏航运动 图二 四旋翼飞行器沿各自由度的运动示意图 181—— 到预期目标[5]。该飞行器具有一定的市场价值,可以 在此基础上继续深入学习飞行控制算法、滤波算法、 误差分析算法,拓展更多的研究价值[6]。 参考文献 [1]杨明志,王敏.四旋翼微型飞行器控制系统设计[J].计 算机测量与控制 2008,6(04):485-487,490. [2]江斌,孙志锋.四旋翼飞行器自主航行的设计[J].电子 技术,2012,39(02):10-12,9. [3]金薇.基于 STM32 的四轴飞行器的研究与设计[J].山 西电子技术,2016,(01):92-93. [4]李秀英,刘彦博.基于 PWM 的四旋翼飞行器控制方法 [J].吉林大学学报(信息科学版),2011,29(05):464-472. [5]郭萧,祝玲,郭青,等.四旋翼飞行器设计方案[J].电子 世界,2015,(15):184-185. [6]符长友,蔡洪斌,李行,等.基于 WiFi 的微型四旋翼飞 行器设计[J].实验室研究与探索,2016,35(10):117-120,154. 作者简介 欧阳欢,男,江西吉安人,主要从事四旋翼飞行器方面的 研究; 谢亮,讲师,主要研究方向:嵌入式系统。 图四 软件系统构成 图三 硬件系统结构 182——
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mmaltgg

贡献于2018-05-29

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