CN206594530U - 一种基于stm32的四轴飞行器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于STM32的四轴飞行器系统，包括与第一微处理器相连接，用于对操作信号进行传输的第一无线通信装置；与第一无线通信装置相连接，用于接收操作信号的第二无线通信装置；用于采集四轴飞行器X、Y、Z轴上的角加速度和角速度值的传感器；与第二微处理器相连接，利用四元素融合算法对姿态数据进行处理的计算器；与第二微处理器相连接，第二微处理器通过增量式PID算法结算得到4路PWM的值，分别输出4个通道的脉宽调制信号至电机调速装置。减轻了飞行器的负担，提高了传统飞行器的整个系统的运行效率和稳定性，为拓展更多的功能提供了基础，结构简单，提高了续航时间和稳定性，降低了普通用户控制的难度。

Description

一种基于STM32的四轴飞行器系统

技术领域

本实用新型属于控制与传感器领域，尤其涉及一种基于STM32的四轴飞行器系统。

背景技术

四轴飞行器是一种具有4个对称旋翼的直升机，具有垂直起降、悬停、结构简单、操纵方便及灵活等特点，最早出现于20世纪，因传感器技术和控制理论的不断发展，尤其是微电子技术的不断成熟，使得四轴飞行器在近几年得到了迅猛的发展，被广泛的应用于军事和工农业等领域。但是由于四轴飞行器载重低、续航时间短、容错性不强、设计理论太复杂等因素使系统难以实现，对于普通用户而言难以实施操作。民用四轴飞行器一般是具有6个自由度和4个输入的欠驱动系统，具有较强的耦合和不稳定等特点，除了受自身机械结构和旋翼空气动力学影响外，也很容易收到外界的干扰，经常有偏离航向或者坠机的事情发生。

综上所述，载重小、续航时间短、稳定性能差、理论算法太为复杂等为目前民用方面四轴飞行器常见的问题，要想有较长时间的平稳飞行和较好的推广应用，目前还没有较好的方案。

发明内容

本实用新型为解决现有的四轴飞行器载重小、续航时间短、稳定性能差、理论算法太为复杂等技术问题而提供一种基于STM32的四轴飞行器系统。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

该基于STM32的四轴飞行器系统包括：

用于对四轴飞行器进行控制的控制按键；

与控制按键相连接，用于对接收的操作信号进行分析和处理的第一微处理器；

与第一微处理器相连接，用于对操作信号进行传输的第一无线通信装置；第一无线通信装置使用NRF24L01模块进行无线通讯。

与第一无线通信装置相连接，用于接收操作信号的第二无线通信装置；

与第二无线通信装置相连接，用于对接收的操作信号进行分析和处理的第二微处理器；

用于采集四轴飞行器X、Y、Z轴上的角加速度和角速度值的传感器，传感器具体为MPU6050三轴加速度陀螺仪传感器；

与传感器通过IIC通讯连接，利用温度信号对传感器输出数据进行实时温度漂移补偿的第二微处理器；

与第二微处理器相连接，利用四元素融合算法对姿态数据进行处理的计算器；

与第二微处理器相连接，第二微处理器通过增量式PID算法结算得到4路PWM的值，分别输出4个通道的脉宽调制信号至电机调速装置。

进一步，所述四轴飞行器中安装有无刷电机，电机调速装置的输出端与无刷电机连接；第二微处理器输出给电机调速装置，电机调速装置控制电机。

本实用新型具有的优点和积极效果是：该基于STM32的四轴飞行器系统在一定程度上减轻了飞行器的负担，提高了传统飞行器的整个系统的运行效率和稳定性，为拓展更多的功能提供了基础，相比于其他民用四轴飞行器，此系统结构更为简单，更容易实现，提高了续航时间和稳定性，降低了普通用户控制的难度。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的基于STM32的四轴飞行器系统的控制系统示意图；

图2是本实用新型实施例提供的基于STM32的四轴飞行器系统的四轴飞行器的动力学受力分析示意图；

图3是本实用新型实施例提供的基于STM32的四轴飞行器系统的第一微控制器和第二微控制器的最小系统示意图；

图4是本实用新型实施例提供的基于STM32的四轴飞行器系统的电源管理模块结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的基于STM32的四轴飞行器系统的姿态算法流程图；

图6是本实用新型实施例提供的基于STM32的四轴飞行器系统的姿态控制流程图；

图7是本实用新型实施例提供的基于STM32的四轴飞行器系统的控制系统框图；

图中：1、控制按键；2、第一微处理器；3、第一无线通信装置；4、第二无线通信装置；5、第二微处理器；6、传感器；7、IIC通讯；8、计算器；9、电机调速装置；10、电源管理模块；11、无刷电机。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的实用新型内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合图1和图7对本实用新型的结构作详细的描述。

该基于STM32的四轴飞行器系统包括：

用于对四轴飞行器进行控制的控制按键1；

与控制按键1相连接，用于对接收的操作信号进行分析和处理的第一微处理器2；

与第一微处理器2相连接，用于对操作信号进行传输的第一无线通信装置3；

与第一无线通信装置3相连接，用于接收操作信号的第二无线通信装置4；

与第二无线通信装置4相连接，用于对接收的操作信号进行分析和处理的第二微处理器5；

用于采集四轴飞行器X、Y、Z轴上的角加速度和角速度值的传感器6，传感器6具体为MPU6050三轴加速度陀螺仪传感器；

与传感器6通过IIC通讯7连接，利用温度信号对传感器输出数据进行实时温度漂移补偿的第二微处理器5；

与第二微处理器5相连接，利用四元素融合算法对姿态数据进行处理的计算器8；

与第二微处理器5相连接，第二微处理器5通过增量式PID算法结算得到4路PWM的值，分别输出4个通道的脉宽调制信号至电机调速装置9。

进一步，所述四轴飞行器中安装有电源管理模块10，电源管理模块10的输出端与第二微处理器5连接。

进一步，所述四轴飞行器中安装有无刷电机11，电机调速装置9的输出端与无刷电机11连接。

下面结合工作原理对本实用新型的结构作进一步的描述。

传感器6分别采集控制器的X、Y、Z轴上的角速度和角加速度的值，通过IIC通讯7发送给第二微处理器5，经过温度补偿进行姿态估计，经过数据滤波并使用四元素法进行姿态结算，得到控制无刷电机11的欧拉角(航向角，横滚角，俯仰角)，第二微处理器5将数据结合卡尔曼滤波和互不滤波处理后通过PID算法结算得到4路PWM的值，分别输出4个通道的脉宽调制信号至电机调速装置9，由电机调速装置9驱动无刷电机11完成四轴飞行器的偏航、横滚、俯仰等空间的六个自由度的控制，实现在整个空间的平稳的飞行，通过电机调速器和航向设定飞行器的油门和航向角和高度值，整个控制系统是基于STM32搭建的，传感器6的采集增加了对温度的补偿校准，提高了数据的准确性，计算器8结合了卡尔曼滤波与互不滤波，对数据的处理，使传感器6的数据更加稳定，姿态角控制上引入微分先行的PID算法，只对输出量进行微分，即只对传感器6角速度测量值进行微分，而不对姿态角的设定值进行微分，避免了设定值的频繁变化造成的振荡，明显地提高了系统的稳定性能，实现在整个空间的平稳的飞行，使用NRF2401的第一无线通信装置3和第二无线通信装置4传输数据，将遥控器与飞行器联系起来，通过遥控可以平稳的控制飞机的高度和航向角，通过控制按键1控制四轴飞行器的起降和悬停等操作，控制按键1向第一微处理器2发送信息，第一微处理器2将信息处理通过NRF2401的第一无线通信装置3和第二无线通信装置4将信息发送给四轴飞行器的微处理器。

如图2，通过建立数学模型结合动力学分析四轴飞行器各个旋翼所提供的升力与桨叶的大小和形状的关系结合电机型号查阅资料得到最佳的桨叶型号，从而使得四轴飞行器消耗最小的电能而有较大的动力。对于机身材料的选择，选用高强度和质量较小的物质来作为机身，以此来减轻四轴飞行器的重量，增加四轴飞行器的载重量。

如图3，选用高性能的锂电池，使用低功耗的STM32103系列的单片机作为第一微控制器2和第二微控制器5，常用工作电压为3.3V。

如图4，传感器6的常规供电电压也为3.3V，锂电池的电压为11.4V，常用的78系列的稳压芯片已经不再合适，综合考虑，采用LM317稳压到3.3V，提高效率的同时还可以增加四轴飞行器的续航时间。

如图5，基于互补滤波和卡尔曼滤波的思想上实现的四元素算法，其核心思路为利用加速度测量向量与估计姿态得到重力向量的误差来矫正陀螺仪积分误差，然后利用矫正后的陀螺仪积分得到姿态角，如下，四元素部分转换公式：

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。

如图6，四轴飞行器系统是一个时变且非线性的系统，传统的单一反馈控制会使系统存在不同程度的超调和震荡现象，无法取得理想的控制效果，本系统将前反馈引入到四轴飞行器系统的控制中来，很好的提高了系统的实时性，提高了系统的反应速度，根据四轴飞行器的特点，对数字PID算法进行了改进，使用微分先行环节，改善了系统的动态特性，使四轴飞行器更好的适应实际的情况，本系统在姿态角控制上引入微分先行的PID算法，其特点是只对输出量进行微分，即只对陀螺仪角速度测量值进行微分，而不对姿态角的设定值进行微分，这样，在设定的值发生变化时，输出量并不会改变，被控制的量的变化相对是比较缓和的，这就很好地避免了设定值的频繁变化造成的振荡，明显地提高了系统的稳定性能。PID参数的整定是PID控制的关键，直接影响着控制的效果。在参数调节过程中遵循以下原则：

在输出不振荡时，增大比例增益P；

在输出不振荡时，减小记分时间常数Ti；

在输出不振荡时，增大微分时间常数Td；

在参数调整时，先调整P值，将I，D给0，先给一个小一点儿值P1，如果飞行器不能稳定在一个角度，则P1给小了，下一次给一个较大值P2，如果飞行器产生震荡情况，则证明P2值给大了，那么合适的P在P1-P2之间，反复试验几次就可以找到P震荡的临界点P0，然后保持P0不变按照调P的方法来调D，D是用来消除误差的，当抖动差不多被消除的时候，此时有较合适的P0，D0，在这两个值附近处再试几组参数，观察效果得到最优参数。调好P，D后，此时四轴的稳定状态与期望状态间也学会有静差值，接下来加入I，参数由小到大，当静差差不多被消除的时候，再对P，I，D三组参数在小范围内联调。最后确定恰当的积分限幅值，完成整个PID参数的整定。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种基于STM32的四轴飞行器系统，其特征在于，该基于STM32的四轴飞行器系统包括：

用于对四轴飞行器进行控制的控制按键；

与控制按键相连接，用于对接收的操作信号进行分析和处理的第一微处理器；

与第一微处理器相连接，用于对操作信号进行传输的第一无线通信装置；

与第一无线通信装置相连接，用于接收操作信号的第二无线通信装置；

与第二无线通信装置相连接，用于对接收的操作信号进行分析和处理的第二微处理器；

用于采集四轴飞行器X、Y、Z轴上的角加速度和角速度值的传感器，传感器具体为MPU6050三轴加速度陀螺仪传感器；

与传感器通过IIC通讯连接，利用温度信号对传感器输出数据进行实时温度漂移补偿的第二微处理器；

与第二微处理器相连接，利用四元素融合算法对姿态数据进行处理的计算器；

与第二微处理器相连接，第二微处理器通过增量式PID算法结算得到4路PWM的值，分别输出4个通道的脉宽调制信号至电机调速装置。

2.如权利要求1所述的基于STM32的四轴飞行器系统，其特征在于，所述四轴飞行器中安装有电源管理模块，电源管理模块的输出端与第二微处理器连接。

3.如权利要求1所述的基于STM32的四轴飞行器系统，其特征在于，所述四轴飞行器中安装有无刷电机，电机调速装置的输出端与无刷电机连接。