基于ARM內(nèi)核單片機(jī)的四旋翼直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：四旋翼直升機(jī)具有4個呈交叉結(jié)構(gòu)排列的螺旋槳，其獨(dú)特的構(gòu)型能夠滿足復(fù)雜環(huán)境中的任務(wù)需求。文中設(shè)計(jì)了一種四旋翼直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)軟硬件方案，通過傳感器實(shí)時(shí)采集四旋翼的姿態(tài)、高度、位置等信息，采用PID算法設(shè)計(jì)飛行控制律，以ARM Cortex—M3內(nèi)核高性能單片機(jī)作為主控制器。最后采用CVI開發(fā)的地面站軟件實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)采集與調(diào)參，并通過實(shí)際飛行驗(yàn)證了本方案的可行性與穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：四旋翼直升機(jī)；飛行控制；單片機(jī)；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

四旋翼飛行器(Ouadrotor，F(xiàn)our-rotor，4 rotors helicopter，X4-flver等)是一種特殊構(gòu)型的電動可遙控微型飛行器，它是由4個螺旋槳驅(qū)動，通過4個螺旋槳的差速來完成姿態(tài)控制。四旋翼飛行器與其他類型的無人機(jī)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中主要是其可垂直起降及機(jī)動性強(qiáng)等性能，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。因此四旋翼飛行器在民用產(chǎn)品、軍事武器等各方面有著廣泛的應(yīng)用前景。文中將介紹四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)。

1 飛行控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括主飛行控制板和相關(guān)外圍電路，結(jié)合慣性傳感器、超聲波傳感器、GPS接收機(jī)、無線數(shù)傳模塊，并配套自行開發(fā)的地面站軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一套完整的四旋翼飛行器自主飛行控制系統(tǒng)。
四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)的開發(fā)內(nèi)容主要包括：飛控板及外圍電路設(shè)計(jì)，傳感器底層驅(qū)動開發(fā)，PWM控制信號的混控輸出，飛行控制律程序設(shè)計(jì)以及地面站軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。
飛控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)核心控制器為一款基于ARM cortex—M3內(nèi)核的單片機(jī)；慣性測量元件(IMU)主要提供解算飛行器姿態(tài)的數(shù)據(jù)等信息；高度傳感器采用超聲波傳感器，輸出相對地面的高度信息；接收機(jī)接收遙控器發(fā)出的桿量信號，這些信號將用于控制器的輸入；GPS接收機(jī)輸出飛行器的位置信息；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊用于飛行器與地面站的數(shù)據(jù)通信。傳感器信息經(jīng)過飛行控制律的運(yùn)算處理，最終通過PWM信號輸出至電子調(diào)速器，用來控制四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)、位置與高度的控制。地面通過無線數(shù)傳實(shí)時(shí)傳回飛行器信息用以檢測飛行器飛行狀態(tài)，同時(shí)地面站也可以向飛行器發(fā)送控制指令。

四旋翼飛行器的機(jī)架選用了市面上做工比較好的Xaircraft-650，其優(yōu)點(diǎn)是各個組件采用模塊化設(shè)計(jì)，方便拆卸和損耗更換，同時(shí)較高的起落架設(shè)計(jì)方便在飛行器底部搭載相關(guān)傳感器設(shè)備。四旋翼飛行器的機(jī)架如圖2所示。

2 飛控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 飛控核心板設(shè)計(jì)
飛控板的主控芯片選用意法半導(dǎo)體公司的ARM Cortex—M3內(nèi)核的單片機(jī)STM32。其功耗低，最高工作頻率72 MHz，擁有512K字節(jié)的閃存程序存儲器和高達(dá)64K字節(jié)的SRAM，最多可達(dá)112個快速I／O端口，多達(dá)4個16位定時(shí)器，5個USRAT、3個SPI、2個I2C、1個CAN、1個USB2．0全速接口。具有優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能，同時(shí)擁有豐富而規(guī)范的固件庫，適合飛控板的開發(fā)。

飛控板采用最小系統(tǒng)加全部接口引出的設(shè)計(jì)，即保證系統(tǒng)能夠正常工作的前提下，引出所有擴(kuò)展接口以方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)開發(fā)的功能擴(kuò)展。主控芯片STM32F103的最小系統(tǒng)原理電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，由于主芯片需要3．3 V電壓供電，所以采用穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生3．3 V電壓，還需加電容對穩(wěn)壓后的電壓進(jìn)行濾波。在保證正確供電和正確接地的同時(shí)，需外加兩個晶振電路。其中8M晶振作為系統(tǒng)外部時(shí)鐘，起振后為系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號：32．768K晶振主要用于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC電路；引出所有引腳以供擴(kuò)展之用，同時(shí)設(shè)計(jì)了外部復(fù)位電路。