本實(shí)用新型屬于控制與傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種基于STM32的四軸飛行器系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

四軸飛行器是一種具有4個(gè)對(duì)稱旋翼的直升機(jī)，具有垂直起降、懸停、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱方便及靈活等特點(diǎn)，最早出現(xiàn)于20世紀(jì)，因傳感器技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)的不斷成熟，使得四軸飛行器在近幾年得到了迅猛的發(fā)展，被廣泛的應(yīng)用于軍事和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。但是由于四軸飛行器載重低、續(xù)航時(shí)間短、容錯(cuò)性不強(qiáng)、設(shè)計(jì)理論太復(fù)雜等因素使系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于普通用戶而言難以實(shí)施操作。民用四軸飛行器一般是具有6個(gè)自由度和4個(gè)輸入的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的耦合和不穩(wěn)定等特點(diǎn)，除了受自身機(jī)械結(jié)構(gòu)和旋翼空氣動(dòng)力學(xué)影響外，也很容易收到外界的干擾，經(jīng)常有偏離航向或者墜機(jī)的事情發(fā)生。

綜上所述，載重小、續(xù)航時(shí)間短、穩(wěn)定性能差、理論算法太為復(fù)雜等為目前民用方面四軸飛行器常見的問題，要想有較長(zhǎng)時(shí)間的平穩(wěn)飛行和較好的推廣應(yīng)用，目前還沒有較好的方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為解決現(xiàn)有的四軸飛行器載重小、續(xù)航時(shí)間短、穩(wěn)定性能差、理論算法太為復(fù)雜等技術(shù)問題而提供一種基于STM32的四軸飛行器系統(tǒng)。

本實(shí)用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：

該基于STM32的四軸飛行器系統(tǒng)包括：

用于對(duì)四軸飛行器進(jìn)行控制的控制按鍵；

與控制按鍵相連接，用于對(duì)接收的操作信號(hào)進(jìn)行分析和處理的第一微處理器；

與第一微處理器相連接，用于對(duì)操作信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)牡谝粺o線通信裝置；第一無線通信裝置使用NRF24L01模塊進(jìn)行無線通訊。

與第一無線通信裝置相連接，用于接收操作信號(hào)的第二無線通信裝置；

與第二無線通信裝置相連接，用于對(duì)接收的操作信號(hào)進(jìn)行分析和處理的第二微處理器；

用于采集四軸飛行器X、Y、Z軸上的角加速度和角速度值的傳感器，傳感器具體為MPU6050三軸加速度陀螺儀傳感器；

與傳感器通過IIC通訊連接，利用溫度信號(hào)對(duì)傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度漂移補(bǔ)償?shù)牡诙⑻幚砥鳎?/p>

與第二微處理器相連接，利用四元素融合算法對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的計(jì)算器；

與第二微處理器相連接，第二微處理器通過增量式PID算法結(jié)算得到4路PWM的值，分別輸出4個(gè)通道的脈寬調(diào)制信號(hào)至電機(jī)調(diào)速裝置。

進(jìn)一步，所述四軸飛行器中安裝有無刷電機(jī)，電機(jī)調(diào)速裝置的輸出端與無刷電機(jī)連接；第二微處理器輸出給電機(jī)調(diào)速裝置，電機(jī)調(diào)速裝置控制電機(jī)。

本實(shí)用新型具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：該基于STM32的四軸飛行器系統(tǒng)在一定程度上減輕了飛行器的負(fù)擔(dān)，提高了傳統(tǒng)飛行器的整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，為拓展更多的功能提供了基礎(chǔ)，相比于其他民用四軸飛行器，此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，更容易實(shí)現(xiàn)，提高了續(xù)航時(shí)間和穩(wěn)定性，降低了普通用戶控制的難度。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的基于STM32的四軸飛行器系統(tǒng)的控制系統(tǒng)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的基于STM32的四軸飛行器系統(tǒng)的四軸飛行器的動(dòng)力學(xué)受力分析示意圖；

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的基于STM32的四軸飛行器系統(tǒng)的第一微控制器和第二微控制器的最小系統(tǒng)示意圖；

圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的基于STM32的四軸飛行器系統(tǒng)的電源管理模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的基于STM32的四軸飛行器系統(tǒng)的姿態(tài)算法流程圖；

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的基于STM32的四軸飛行器系統(tǒng)的姿態(tài)控制流程圖；

圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的基于STM32的四軸飛行器系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖；

圖中：1、控制按鍵；2、第一微處理器；3、第一無線通信裝置；4、第二無線通信裝置；5、第二微處理器；6、傳感器；7、IIC通訊；8、計(jì)算器；9、電機(jī)調(diào)速裝置；10、電源管理模塊；11、無刷電機(jī)。

具體實(shí)施方式

為能進(jìn)一步了解本實(shí)用新型的

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下。

下面結(jié)合圖1和圖7對(duì)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)作詳細(xì)的描述。

該基于STM32的四軸飛行器系統(tǒng)包括：

用于對(duì)四軸飛行器進(jìn)行控制的控制按鍵1；

與控制按鍵1相連接，用于對(duì)接收的操作信號(hào)進(jìn)行分析和處理的第一微處理器2；

與第一微處理器2相連接，用于對(duì)操作信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)牡谝粺o線通信裝置3；

與第一無線通信裝置3相連接，用于接收操作信號(hào)的第二無線通信裝置4；

與第二無線通信裝置4相連接，用于對(duì)接收的操作信號(hào)進(jìn)行分析和處理的第二微處理器5；

用于采集四軸飛行器X、Y、Z軸上的角加速度和角速度值的傳感器6，傳感器6具體為MPU6050三軸加速度陀螺儀傳感器；

與傳感器6通過IIC通訊7連接，利用溫度信號(hào)對(duì)傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度漂移補(bǔ)償?shù)牡诙⑻幚砥?；

與第二微處理器5相連接，利用四元素融合算法對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的計(jì)算器8；

與第二微處理器5相連接，第二微處理器5通過增量式PID算法結(jié)算得到4路PWM的值，分別輸出4個(gè)通道的脈寬調(diào)制信號(hào)至電機(jī)調(diào)速裝置9。

進(jìn)一步，所述四軸飛行器中安裝有電源管理模塊10，電源管理模塊10的輸出端與第二微處理器5連接。

進(jìn)一步，所述四軸飛行器中安裝有無刷電機(jī)11，電機(jī)調(diào)速裝置9的輸出端與無刷電機(jī)11連接。

下面結(jié)合工作原理對(duì)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的描述。

傳感器6分別采集控制器的X、Y、Z軸上的角速度和角加速度的值，通過IIC通訊7發(fā)送給第二微處理器5，經(jīng)過溫度補(bǔ)償進(jìn)行姿態(tài)估計(jì)，經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波并使用四元素法進(jìn)行姿態(tài)結(jié)算，得到控制無刷電機(jī)11的歐拉角(航向角，橫滾角，俯仰角)，第二微處理器5將數(shù)據(jù)結(jié)合卡爾曼濾波和互不濾波處理后通過PID算法結(jié)算得到4路PWM的值，分別輸出4個(gè)通道的脈寬調(diào)制信號(hào)至電機(jī)調(diào)速裝置9，由電機(jī)調(diào)速裝置9驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)11完成四軸飛行器的偏航、橫滾、俯仰等空間的六個(gè)自由度的控制，實(shí)現(xiàn)在整個(gè)空間的平穩(wěn)的飛行，通過電機(jī)調(diào)速器和航向設(shè)定飛行器的油門和航向角和高度值，整個(gè)控制系統(tǒng)是基于STM32搭建的，傳感器6的采集增加了對(duì)溫度的補(bǔ)償校準(zhǔn)，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，計(jì)算器8結(jié)合了卡爾曼濾波與互不濾波，對(duì)數(shù)據(jù)的處理，使傳感器6的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，姿態(tài)角控制上引入微分先行的PID算法，只對(duì)輸出量進(jìn)行微分，即只對(duì)傳感器6角速度測(cè)量值進(jìn)行微分，而不對(duì)姿態(tài)角的設(shè)定值進(jìn)行微分，避免了設(shè)定值的頻繁變化造成的振蕩，明顯地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，實(shí)現(xiàn)在整個(gè)空間的平穩(wěn)的飛行，使用NRF2401的第一無線通信裝置3和第二無線通信裝置4傳輸數(shù)據(jù)，將遙控器與飛行器聯(lián)系起來，通過遙控可以平穩(wěn)的控制飛機(jī)的高度和航向角，通過控制按鍵1控制四軸飛行器的起降和懸停等操作，控制按鍵1向第一微處理器2發(fā)送信息，第一微處理器2將信息處理通過NRF2401的第一無線通信裝置3和第二無線通信裝置4將信息發(fā)送給四軸飛行器的微處理器。

如圖2，通過建立數(shù)學(xué)模型結(jié)合動(dòng)力學(xué)分析四軸飛行器各個(gè)旋翼所提供的升力與槳葉的大小和形狀的關(guān)系結(jié)合電機(jī)型號(hào)查閱資料得到最佳的槳葉型號(hào)，從而使得四軸飛行器消耗最小的電能而有較大的動(dòng)力。對(duì)于機(jī)身材料的選擇，選用高強(qiáng)度和質(zhì)量較小的物質(zhì)來作為機(jī)身，以此來減輕四軸飛行器的重量，增加四軸飛行器的載重量。

如圖3，選用高性能的鋰電池，使用低功耗的STM32103系列的單片機(jī)作為第一微控制器2和第二微控制器5，常用工作電壓為3.3V。

如圖4，傳感器6的常規(guī)供電電壓也為3.3V，鋰電池的電壓為11.4V，常用的78系列的穩(wěn)壓芯片已經(jīng)不再合適，綜合考慮，采用LM317穩(wěn)壓到3.3V，提高效率的同時(shí)還可以增加四軸飛行器的續(xù)航時(shí)間。

如圖5，基于互補(bǔ)濾波和卡爾曼濾波的思想上實(shí)現(xiàn)的四元素算法，其核心思路為利用加速度測(cè)量向量與估計(jì)姿態(tài)得到重力向量的誤差來矯正陀螺儀積分誤差，然后利用矯正后的陀螺儀積分得到姿態(tài)角，如下，四元素部分轉(zhuǎn)換公式：

q0＝quat[0]/q30；

q1＝quat[1]/q30；

q2＝quat[2]/q30；

q3＝quat[3]/q30；

Pitch＝asin(-2*q1*q3+2*q0*q2)*57.3；

Roll＝atan2(2*q2*q3+2*q0*q1，-2*q1*q1-2*q2*q2+1)*57.3；

Yaw＝atan2(2*(q1*q2+q0*q3)，q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3)*57.3。

如圖6，四軸飛行器系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變且非線性的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的單一反饋控制會(huì)使系統(tǒng)存在不同程度的超調(diào)和震蕩現(xiàn)象，無法取得理想的控制效果，本系統(tǒng)將前反饋引入到四軸飛行器系統(tǒng)的控制中來，很好的提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，根據(jù)四軸飛行器的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)字PID算法進(jìn)行了改進(jìn)，使用微分先行環(huán)節(jié)，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使四軸飛行器更好的適應(yīng)實(shí)際的情況，本系統(tǒng)在姿態(tài)角控制上引入微分先行的PID算法，其特點(diǎn)是只對(duì)輸出量進(jìn)行微分，即只對(duì)陀螺儀角速度測(cè)量值進(jìn)行微分，而不對(duì)姿態(tài)角的設(shè)定值進(jìn)行微分，這樣，在設(shè)定的值發(fā)生變化時(shí)，輸出量并不會(huì)改變，被控制的量的變化相對(duì)是比較緩和的，這就很好地避免了設(shè)定值的頻繁變化造成的振蕩，明顯地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。PID參數(shù)的整定是PID控制的關(guān)鍵，直接影響著控制的效果。在參數(shù)調(diào)節(jié)過程中遵循以下原則：

在輸出不振蕩時(shí)，增大比例增益P；

在輸出不振蕩時(shí)，減小記分時(shí)間常數(shù)Ti；

在輸出不振蕩時(shí)，增大微分時(shí)間常數(shù)Td；

在參數(shù)調(diào)整時(shí)，先調(diào)整P值，將I，D給0，先給一個(gè)小一點(diǎn)兒值P1，如果飛行器不能穩(wěn)定在一個(gè)角度，則P1給小了，下一次給一個(gè)較大值P2，如果飛行器產(chǎn)生震蕩情況，則證明P2值給大了，那么合適的P在P1-P2之間，反復(fù)試驗(yàn)幾次就可以找到P震蕩的臨界點(diǎn)P0，然后保持P0不變按照調(diào)P的方法來調(diào)D，D是用來消除誤差的，當(dāng)抖動(dòng)差不多被消除的時(shí)候，此時(shí)有較合適的P0，D0，在這兩個(gè)值附近處再試幾組參數(shù)，觀察效果得到最優(yōu)參數(shù)。調(diào)好P，D后，此時(shí)四軸的穩(wěn)定狀態(tài)與期望狀態(tài)間也學(xué)會(huì)有靜差值，接下來加入I，參數(shù)由小到大，當(dāng)靜差差不多被消除的時(shí)候，再對(duì)P，I，D三組參數(shù)在小范圍內(nèi)聯(lián)調(diào)。最后確定恰當(dāng)?shù)姆e分限幅值，完成整個(gè)PID參數(shù)的整定。

以上所述僅是對(duì)本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改，等同變化與修飾，均屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。