CN108132673A - 一种基于stm32的四旋翼飞行器控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于STM32的四旋翼飞行器控制系统，包括控制主板，控制主板的上表面中心焊接有主控制器，主控制器的总线接口处连接有传感器模块，主控制器通过SPI总线连接有红外遥控模块，主控制器的IIC总线引脚连接有姿态采集模块，主控制器的UART端口通过导线连接有无线数据传输模块，无线数据传输模块用于进行远程无线通信，主控制器的GPIO端口还连接有超声波模块和PID调节模块，超声波模块的基座固定在控制主板的下表面，PID调节模块通过导线连接至各个电机的驱动端。本发明实现对飞行器参数的全面检测以及飞行姿态的精准调控，无线通信传输距离远，提高自主飞行的调节能力。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器系统领域，具体为一种基于STM32的四旋翼飞行器控制系统。
背景技术
近年来，随着科技的发展，四旋翼飞行器在人们的生活当中扮演者越来越重的角色，可执行水灾、火灾、地震等灾情调查救援任务；化工厂等场所有毒气体浓度监测；重要设施连续监控；输油管线和输电线路的巡查；农田、林区农药喷洒；自然风景的取景拍照；当对特定地区进行日常环境监测，也可以使用这种飞行器，自动巡查完后自动返航并自动记录存储数据，大大减少人力成本。在过去的几十年里，四旋翼飞行器相对固定翼飞行器发展却较为缓慢，这是因为四旋翼飞行器的控制较固定翼复杂，早期的技术水平无法实现飞行器的自主飞行控制。
现在的四旋翼飞行器发展迅速，一些也开始逐渐进行向自主飞行发展，例如专利号为106919179A的一种四旋翼飞行器控制系统及控制方法中，提出了控制系统包括控制器、飞行姿态检测器、无线通信装置、USB通讯串口、上位机，无线通信装置的一端通过USB通讯串口与上位机通讯连接，无线通信装置的另一端连接控制器，控制器还分别连接飞行姿态检测器及四旋翼飞行器电机。该控制系统一定程度上实现了对飞行器的自动控制，但是其飞行姿态检测器过于单一，检测参数不够全面，同时缺乏精准的姿态调整控制机构，利用USB通讯串口通信，通信速率以及距离都受限制。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种基于STM32的四旋翼飞行器控制系统，包括控制主板，所述控制主板的底板采用覆铜板粘接绝缘支撑板组成，绝缘支撑板的四角开凿有螺纹孔，通过固定螺丝旋转安装在飞行器内部，所述控制主板的上表面中心焊接有主控制器，所述主控制器的总线接口处连接有传感器模块，所述传感器模块分别固定安装在飞行器的四个旋翼上，主控制器的SPI总线接口处通过SPI总线连接有红外遥控模块，所述红外遥控模块用于与遥控手柄进行通信，主控制器的IIC总线引脚连接有姿态采集模块，所述姿态采集模块水平固定在控制主板的侧边，主控制器的UART端口通过导线连接有无线数据传输模块，所述无线数据传输模块用于进行远程无线通信，主控制器的GPIO端口还连接有超声波模块和PID调节模块，所述超声波模块的基座固定在控制主板的下表面，PID调节模块通过导线连接至各个电机的驱动端。
作为本发明一种优选的技术方案，所述主控制器采用ARMCortex-M3内核的stm32f103vctb芯片最小系统，且芯片外围还连接有EPPROM数据存储器。
作为本发明一种优选的技术方案，所述传感器模块包括转速传感器、加速度传感器和光流传感器，所述转速传感器和加速度传感器固定在螺旋翼转轴上，光流传感器固定在飞行器下表面，所述转速传感器、加速度传感器和光流传感器输出信号通过SPI总线连接至主控制器的SPI接口。
作为本发明一种优选的技术方案，所述红外遥控模块采用TSOP18集成红外线接收模块，模块内集成有红外线PIN接收管、前置放大器和解调器，所述红外线PIN接收管的表面罩接有黑色环氧聚焦滤波透镜，红外线PIN接收管输出电信号至前置放大器，所述解调器输出解调信号至主控制器。
作为本发明一种优选的技术方案，所述姿态采集模块包括三轴陀螺仪和三轴数字罗盘，所述三轴陀螺仪采用MPU6050型号陀螺仪，三轴数字罗盘采用HMC5883L型号罗盘，三轴陀螺仪和三轴数字罗盘的数字信号输出端均通过IIC总线连接至主控制器。
作为本发明一种优选的技术方案，所述无线数据传输模块采用EMW3162集成模块，模块内集成有WiFi基带芯片，所述WiFi基带芯片的射频前端连接有板载微带天线，模块外表面还罩接有屏蔽罩。
作为本发明一种优选的技术方案，所述超声波模块采用HC-SR04集成模块，包括超声波发射器、超声波接收器和定时器，所述超声波发射器和超声波接收器分别连接至主控制器GPIO的输出端和输入端，所述定时器连接至主控制器的计数端。
作为本发明一种优选的技术方案，所述PID调节模块包括PWM驱动器，PWM驱动器连接至主控制器的PWM输出引脚，PWM驱动器输出驱动信号至PID姿态控制器，所述PID姿态控制器输出合成控制量至电子调速器，所述电子调速器输出调节信号至电机控制端，并且连接有反馈导线至PID姿态控制器的反馈引脚。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过设置传感器模块，利用转速传感器和加速度传感器对电机的工作状态进行实时采集，设置姿态采集模块，利用三轴陀螺仪和三轴数字罗盘进行飞行姿态相关参数的实时采集，有效实现了对于飞行器的全方位的监测，且将模拟信号采集与数字信号采集分隔开，减小相互干扰提高测量精度；
(2)本发明通过设置光流传感器和超声波模块，分别测量飞行器和二维移动距离和高度位置信息，结合形成三维空间定位，使得主控制器对于整个飞行器的定点控制更加精准；
(3)本发明通过设置PID调节模块，结合传感器模块和姿态采集模块形成闭环反馈系统，利用PID姿态控制器精准计算姿态调整控制量，提高对于飞行器姿态的控制精确度，完成各种复杂动作。
附图说明
图1为本发明结构框图；
图2为本发明外观结构示意图；
图3为三轴陀螺仪原理图；
图4为三轴数字罗盘原理图；
图5为超声波发射器原理图；
图6为超声波接收器原理图。
图中：1-控制主板；2-主控制器；3-传感器模块；4-红外遥控模块；5-姿态采集模块；6-无线数据传输模块；7-超声波模块；8-PID调节模块；
301-转速传感器；302-加速度传感器；303-光流传感器；
401-红外线PIN接收管；402-前置放大器；403-解调器；
501-三轴陀螺仪；502-三轴数字罗盘；
601-WiFi基带芯片；602-板载微带天线；603-屏蔽罩；
701-超声波发射器；702-超声波接收器；703-定时器；
801-PWM驱动器；802-PID姿态控制器；803-电子调速器。
具体实施方式。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「中」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向和位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
实施例：
如图1和2所示，本发明提供了一种基于STM32的四旋翼飞行器控制系统，包括控制主板1，所述控制主板1的底板采用覆铜板粘接绝缘支撑板组成，绝缘支撑板的四角开凿有螺纹孔，通过固定螺丝旋转安装在飞行器内部，所述控制主板1的上表面中心焊接有主控制器2，所述主控制器2的总线接口处连接有传感器模块3，所述传感器模块3分别固定安装在飞行器的四个旋翼上，主控制器2的SPI总线接口处通过SPI总线连接有红外遥控模块4，所述红外遥控模块4用于与遥控手柄进行通信，主控制器2的IIC总线引脚连接有姿态采集模块5，所述姿态采集模块5水平固定在控制主板1的侧边，主控制器2的UART端口通过导线连接有无线数据传输模块6，所述无线数据传输模块6用于进行远程无线通信，主控制器2的GPIO端口还连接有超声波模块7和PID调节模块8，所述超声波模块7的基座固定在控制主板1的下表面，PID调节模块8通过导线连接至各个电机的驱动端；
所述主控制器2采用ARM Cortex-M3内核的stm32f103vctb芯片最小系统，且芯片外围还连接有EPPROM数据存储器；该芯片主频可达168MHz，处理单条指令速度可达1.25DMIPS/MHz，满足对数据处理速度的要求，它具有功耗动态调整功能，能够在运行模式下和从Flash存储器执行时实现低至238A/MHz的电流消耗，多达15个高速通信接口，包括6个USART、3个SPI和3个IIC等，可用于将各传感器模块采集的姿态数据传输给主控制器2；
所述传感器模块3包括转速传感器301、加速度传感器302和光流传感器303，所述转速传感器301和加速度传感器302固定在螺旋翼转轴上，光流传感器303固定在飞行器下表面，所述转速传感器301、加速度传感器302和光流传感器303输出信号通过SPI总线连接至主控制器2的SPI接口；所述转速传感器301用于实时采集当前电机的转速，加速度传感器302用于进行加速度测定，所述光流传感器303采用ADNS3080，通过SPI与主控芯片进行通讯，可以实时测得飞行器在二维平面内的位移，加入超声波高度数据，对飞行器进行三维空间的定位控制；接收到的数据传输至主控制器2进行分析处理操作，进行反馈控制调节；
所述红外遥控模块4采用TSOP18集成红外线接收模块，模块内集成有红外线PIN接收管401、前置放大器402和解调器403，所述红外线PIN接收管401的表面罩接有黑色环氧聚焦滤波透镜，红外线PIN接收管401输出电信号至前置放大器402，所述解调器403输出解调信号至主控制器2；所述红外芯PIN接收管401接收来自红外遥控器发射的红外信号，增加聚焦滤波透镜消除了可见光对它的干扰,对于提高可靠性及滤除光噪声，红外芯PIN接收管401将红外光转换成电信号，前置放大器402将接收到的电信号进行放大，再通过解调器403进行解调还原，还原后的信号传输至主控制器2，主控制器2根据接收到的信号作出相应的动作指令；
如图3和图4所示，所述姿态采集模块5包括三轴陀螺仪501和三轴数字罗盘502，所述三轴陀螺仪501采用MPU6050型号陀螺仪，三轴数字罗盘502采用HMC5883L型号罗盘，三轴陀螺仪501和三轴数字罗盘502的数字信号输出端均通过IIC总线连接至主控制器2；进一步说明的是，陀螺仪是飞行器惯导系统中的核心器件，用于检测俯仰、滚转和偏航3个方向的角速度，积分后可得到相应的倾斜角度，控制器对倾斜角的控制使飞行器在受到外界干扰(如气流等)时能保持姿态的平稳；三轴数字罗盘502用于精准实现方位测定，传输至主控制器2，从而提高装置控制精度；
如图5和图6所示，所述超声波模块7采用HC-SR04集成模块，包括超声波发射器701、超声波接收器702和定时器703，所述超声波发射器701和超声波接收器702分别连接至主控制器2GPIO的输出端和输入端，所述定时器703连接至主控制器2的计数端；所述超声波发射器701用于发射超声波信号，超声波接收器702用于接收反射回来的超声波，定时器703记录超声波收发时间，主控制器2通过收发时间与超声波速结合飞行器的速度，转换成当前飞行器的高度值；
所述PID调节模块8包括PWM驱动器801，PWM驱动器801连接至主控制器2的PWM输出引脚，PWM驱动器801输出驱动信号至PID姿态控制器802，所述PID姿态控制器802输出合成控制量至电子调速器803，所述电子调速器803输出调节信号至电机控制端，并且连接有反馈导线至PID姿态控制器802的反馈引脚；主控制器2给出预期位置指令后，位置PID回路计算出所需改变的姿态角，通过PWM驱动器801输入给姿态回路，PID姿态控制器802计算出电机的控制量，输出控制量至电子调速器803对姿态进行调整；姿态的改变可引起飞行器线性的运动，因此实施闭环设计以精确控制飞行器的姿态；
所述无线数据传输模块6采用EMW3162集成模块，模块内集成有WiFi基带芯片601，所述WiFi基带芯片601的射频前端连接有板载微带天线602，模块外表面还罩接有屏蔽罩603；所述板载微带天线602用于进行无线信号的接收和发送，WiFi基带芯片601将主控制器2采集到的信号按照协议编码要求进行编码，再通过板载微带天线602发送至上位机，便于做进一步的分析研究，板载微带天线602的功率大，可以凭借现有的移动基站作为中继站，延长传输距离，屏蔽罩603可以有效地实现电磁屏蔽操作，减小外部电磁波的干扰。
综上所述，本发明的主要特点在于：
(1)本发明通过设置传感器模块，利用转速传感器和加速度传感器对电机的工作状态进行实时采集，设置姿态采集模块，利用三轴陀螺仪和三轴数字罗盘进行飞行姿态相关参数的实时采集，有效实现了对于飞行器的全方位的监测，且将模拟信号采集与数字信号采集分隔开，减小相互干扰提高测量精度；
(2)本发明通过设置光流传感器和超声波模块，分别测量飞行器和二维移动距离和高度位置信息，结合形成三维空间定位，使得主控制器对于整个飞行器的定点控制更加精准；
(3)本发明通过设置PID调节模块，结合传感器模块和姿态采集模块形成闭环反馈系统，利用PID姿态控制器精准计算姿态调整控制量，提高对于飞行器姿态的控制精确度，完成各种复杂动作，实现自主飞行的精准控制。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (8)
1.一种基于STM32的四旋翼飞行器控制系统，其特征在于：包括控制主板(1)，所述控制主板(1)的底板采用覆铜板粘接绝缘支撑板组成，绝缘支撑板的四角开凿有螺纹孔，通过固定螺丝旋转安装在飞行器内部，所述控制主板(1)的上表面中心焊接有主控制器(2)，所述主控制器(2)的总线接口处连接有传感器模块(3)，所述传感器模块(3)分别固定安装在飞行器的四个旋翼上，主控制器(2)的SPI总线接口处通过SPI总线连接有红外遥控模块(4)，所述红外遥控模块(4)用于与遥控手柄进行通信，主控制器(2)的IIC总线引脚连接有姿态采集模块(5)，所述姿态采集模块(5)水平固定在控制主板(1)的侧边，主控制器(2)的UART端口通过导线连接有无线数据传输模块(6)，所述无线数据传输模块(6)用于进行远程无线通信，主控制器(2)的GPIO端口还连接有超声波模块(7)和PID调节模块(8)，所述超声波模块(7)的基座固定在控制主板(1)的下表面，PID调节模块(8)通过导线连接至各个电机的驱动端。
2.根据权利要求1所述的一种基于STM32的四旋翼飞行器控制系统，其特征在于：所述主控制器(2)采用ARMCortex-M3内核的stm32f103vctb芯片最小系统，且芯片外围还连接有EPPROM数据存储器。
3.根据权利要求1所述的一种基于STM32的四旋翼飞行器控制系统，其特征在于：所述传感器模块(3)包括转速传感器(301)、加速度传感器(302)和光流传感器(303)，所述转速传感器(301)和加速度传感器(302)固定在螺旋翼转轴上，光流传感器(303)固定在飞行器下表面，所述转速传感器(301)、加速度传感器(302)和光流传感器(303)输出信号通过SPI总线连接至主控制器(2)的SPI接口。
4.根据权利要求3所述的一种基于STM32的四旋翼飞行器控制系统，其特征在于：所述红外遥控模块(4)采用TSOP18集成红外线接收模块，模块内集成有红外线PIN接收管(401)、前置放大器(402)和解调器(403)，所述红外线PIN接收管(401)的表面罩接有黑色环氧聚焦滤波透镜，红外线PIN接收管(401)输出电信号至前置放大器(402)，所述解调器(403)输出解调信号至主控制器(2)。
5.根据权利要求1所述的一种基于STM32的四旋翼飞行器控制系统，其特征在于：所述姿态采集模块(5)包括三轴陀螺仪(501)和三轴数字罗盘(502)，所述三轴陀螺仪(501)采用MPU6050型号陀螺仪，三轴数字罗盘(502)采用HMC5883L型号罗盘，三轴陀螺仪(501)和三轴数字罗盘(502)的数字信号输出端均通过IIC总线连接至主控制器(2)。
6.根据权利要求1所述的一种基于STM32的四旋翼飞行器控制系统，其特征在于：所述无线数据传输模块(6)采用EMW3162集成模块，模块内集成有WiFi基带芯片(601)，所述WiFi基带芯片(601)的射频前端连接有板载微带天线(602)，模块外表面还罩接有屏蔽罩(603)。
7.根据权利要求1所述的一种基于STM32的四旋翼飞行器控制系统，其特征在于：所述超声波模块(7)采用HC-SR04集成模块，包括超声波发射器(701)、超声波接收器(702)和定时器(703)，所述超声波发射器(701)和超声波接收器(702)分别连接至主控制器(2)GPIO的输出端和输入端，所述定时器(703)连接至主控制器(2)的计数端。
8.根据权利要求1所述的一种基于STM32的四旋翼飞行器控制系统，其特征在于：所述PID调节模块(8)包括PWM驱动器(801)，PWM驱动器(801)连接至主控制器(2)的PWM输出引脚，PWM驱动器(801)输出驱动信号至PID姿态控制器(802)，所述PID姿态控制器(802)输出合成控制量至电子调速器(803)，所述电子调速器(803)输出调节信号至电机控制端，并且连接有反馈导线至PID姿态控制器(802)的反馈引脚。
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