基于STM32的四旋翼飛行控制器的設(shè)計(jì).doc

1、 基于STM32的四旋翼飛行控制器設(shè)計(jì)姓名： XX 學(xué)號：54130XXXXXXX班級：自動化 摘 要隨著時代的發(fā)展,多旋翼飛行器越來越被廣泛的應(yīng)用在軍事、民用、以及科學(xué)研究等多個領(lǐng)域,同時其本身也向著高效、多功能化方面發(fā)展。四旋翼飛行器也稱為四旋翼直升機(jī)又叫四軸飛行器，是一種有4個螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器，可以搭配微型相機(jī)錄制空中視頻。四旋翼直升機(jī)，國外又稱Quadrotor， Four-rotor，4 rotors helicopter，X4-flyer等等，是一種具有四個螺旋槳的飛行器并且四個螺旋槳呈十字形交叉結(jié)構(gòu)，相對的四旋翼具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，分兩組，兩組的旋轉(zhuǎn)方向不同。與

2、傳統(tǒng)的直升機(jī)不同，四旋翼直升機(jī)只能通過改變螺旋槳的速度來實(shí)現(xiàn)各種動作（目前，也出現(xiàn)可以改變螺距的四旋翼飛行器，這種控制方式比改變電機(jī)轉(zhuǎn)速更靈活方便）。一 四旋翼飛行基礎(chǔ)控制原理1.1 飛行動力原理（圖2.1） （ 圖2.2 ）四軸飛行器是一個在空間具有6個活動自由度（分別沿3個坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動作），但是只有4個控制自由度（四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速）的系統(tǒng)，因此被稱為欠驅(qū)動系統(tǒng)（只有當(dāng)控制自由度等于活動自由度的時候才是完整驅(qū)動系統(tǒng)）。不過對于姿態(tài)控制本身（分別沿3個坐標(biāo)軸作旋轉(zhuǎn)動作），它確實(shí)是完整驅(qū)動的。1.2 姿態(tài)分析因有兩對電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對機(jī)身的反扭矩，當(dāng)同時增加四個電機(jī)的輸出功率，旋翼

3、轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地， （圖2.2.1） 實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動。當(dāng)外界擾動量為零時，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動的關(guān)鍵。電機(jī)1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)2、電機(jī)4的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼3轉(zhuǎn)速該變量的大小應(yīng)相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞y軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖所示），同理，當(dāng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)

4、速下降，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞y軸向另一個方向 （圖2.2.2）旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動。 改變電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機(jī)身繞x軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動。 （圖2.2.3） 四旋翼飛行器偏航運(yùn)動可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實(shí)現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉(zhuǎn)，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的來年各個旋翼轉(zhuǎn)動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時，四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動；當(dāng)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行

5、器轉(zhuǎn)動。在圖d中，當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼1和旋翼3對機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動，轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。 （圖2.2.4） 要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動，必須在水平面內(nèi)對飛行器施加一定的力。在圖e中，增加電機(jī)3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機(jī)1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按圖b的理論，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動。向后飛行與向前飛行正好相反。當(dāng)然在圖b圖c中，飛行

6、器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動的同時也會產(chǎn)生沿x、y軸的水平運(yùn)動。 （圖2.2.5） （圖2.2.6）1.3 動力學(xué)原理四旋翼飛行器的升力全來自于螺旋槳，螺旋槳靠電機(jī)驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)與空氣相互作用，產(chǎn)生上升力，上升力來源有兩種、： 空氣推力 螺旋槳向后推空氣的反作用力1.3.1 空氣推力根據(jù)伯努利原理，動能+壓力勢能=常數(shù)，即公式如下：P1+1/2V12+gh=C, 這個式子被稱為伯努利方程。式中p為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)，v為流體該點(diǎn)的流速，為流體密度，g為重力加速度，h為該點(diǎn)所在高度，C是一個常量。它也可以被表述為p1+1/2v12+gh1=p2+1/2v22+gh2。在螺旋槳旋轉(zhuǎn)過程中，密度、高度、

7、重力常數(shù)均變，速度V越大，則壓強(qiáng)P越小，如右圖圖 （圖2.3.1）槳葉上半部距離長，但流過的時間是一樣的，故槳葉上方空氣流速v更大，壓力p更小，由于壓力差的存在，空氣對槳葉有向上的推力。1.3.2螺旋槳反作用力螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，槳葉不斷把大量空氣（推進(jìn)介質(zhì)）向后推去，在槳葉上產(chǎn)生一向前的力，即推進(jìn)力。1.3.3 其他 一般情況下，螺旋槳除旋轉(zhuǎn)外還有前進(jìn)速度。如截取一小段槳葉來看，就像一小段機(jī)翼，其相對氣流速度由前進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度合成。槳葉上的氣動力在前進(jìn)方向的分力構(gòu)成拉力。在旋轉(zhuǎn)面內(nèi)的分量形成阻止螺旋槳旋轉(zhuǎn)的力矩，由發(fā)動機(jī)的力矩來平衡。槳葉剖面弦(相當(dāng)于翼弦)與旋轉(zhuǎn)平面夾角稱槳葉安裝角。

8、螺旋槳旋轉(zhuǎn)一圈，以槳葉安裝角為導(dǎo)引向前推進(jìn)的距離稱為槳距。實(shí)際上槳葉上每一剖面的前進(jìn)速度都是相同的，但圓周速度則與該剖面距轉(zhuǎn)軸的距離（半徑）成正比，所以各剖面相對氣流與旋轉(zhuǎn)平面的夾角隨著離轉(zhuǎn)軸的距離增大而逐步減小，為了使槳葉每個剖面與相對氣流都保持在有利的迎角范圍內(nèi)，各剖面的安裝角也隨著與轉(zhuǎn)軸的距離增大而減小。這就是每個槳葉都有扭轉(zhuǎn)的原因。螺旋槳旋轉(zhuǎn)時,槳葉剖面弦與旋轉(zhuǎn)平面的夾角稱為槳葉安裝角。1.4 選材1、遙控器 2、機(jī)架3、飛控4、電調(diào)5、電機(jī)6、正反槳7、電池8、平衡充9、帶有電羅經(jīng)的GPS3、數(shù)傳二 四旋翼飛行器硬件2.1 四旋翼硬件框架系統(tǒng)核心部分為飛行控制器（簡稱飛控）

9、，其核心芯片為基于STM32F405R6T6的控制系統(tǒng)。為控制器加上各種功能及模塊，來操控飛行姿態(tài)。為控制器實(shí)現(xiàn)對無線傳感及傳感器的信號進(jìn)行采樣處理計(jì)算，得到想要的飛行姿態(tài)位置及其參數(shù)，結(jié)合遙控操作極地面操作控制信號進(jìn)行控制算法，實(shí)現(xiàn)對四個無刷電機(jī)控制量輸出。由3軸重力加速傳感器與陀螺儀傳感器組成電子陀螺儀模塊實(shí)現(xiàn)對四旋翼飛行器姿態(tài)控制?？諝飧叨却└衅?重力加速度傳感器 陀螺儀傳感器 電調(diào) 電機(jī)1 遙控接收 電調(diào) 電機(jī)2 微控制器 PWM STM32F405R6T6 接口 電調(diào) 電機(jī)3遙控接收機(jī) 電調(diào) 電機(jī)4 遙控器 無線傳感 GPS 地面控制站 （2.1 硬件結(jié)構(gòu)圖）2.2 硬件設(shè)計(jì)與選型2

10、.2.1 微控制器微控制器是四旋翼飛行器的核心單元，對四旋翼飛行器起著至關(guān)重要的作用。本文采用STM32F405R6T6作為微控制器。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。而STM32F2系列分為：高性能系列STM32F205/207和高性能系列STM32F207/217。STM32F4系列為STM32平臺新增了眾多高級外設(shè)：1.支持高速模式的USB OTG（需要連接外部PHY）；2.支持音頻級的架構(gòu)：I2S和USB外設(shè)（連同高級PLL和數(shù)據(jù)同步方案）；3.視頻傳感器接口，8位或14位并行信號，工作在48MHZ可以取得高

11、達(dá)48M字節(jié)/秒的數(shù)據(jù)率；4.靈活的靜態(tài)存儲器接口，速率高達(dá)60MHZ，擴(kuò)展存儲空間和連接LCD；5.加密/哈希處理器：3DES，AES 256/SHA1.MD5，HMAC；6.3個SPI，時鐘頻率最快可達(dá)30M字節(jié)/秒；6個USART，最高波特率7.5M字節(jié)/秒；7.3個12位ADC模塊，每個模塊采樣率高達(dá)2M/秒；8.真正的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器；9.快速GPIO（翻轉(zhuǎn)速率高達(dá)60MHZ） 型號封裝程序存儲器定時器功能 A/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器I/O 端口(大電流)串行接口供電電壓(Vcc)(V)供電電流(Icc)溫度Flash。為滿足支持GPS口而選用STM32F4系列的STM32F405R6T6

12、作為微控制器。2.2.2 電機(jī)驅(qū)動控制電機(jī)驅(qū)動控制就是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動或者停止，以及轉(zhuǎn)動的速度。電機(jī)驅(qū)動控制部分也叫做電子調(diào)速器，簡稱電調(diào)，英文electronic speed controller（ESC）。電調(diào)對應(yīng)使用的電機(jī)不同，分無刷電調(diào)和有刷電調(diào)。有刷電機(jī)的永磁體是固定不動的，線圈繞在轉(zhuǎn)子上，通過電刷跟換相器接觸來改變磁場方向來保持轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動。無刷電機(jī)，顧名思義，這種電機(jī)是沒有電刷和換相器的，他的轉(zhuǎn)子是永磁體，而線圈是固定不動的，直接接到外部電源，問題就來了，線圈磁場方向怎么改變呢？事實(shí)上，無刷電機(jī)外部還需要一個電子調(diào)速器，這個調(diào)速器就是一個電機(jī)驅(qū)動，通過改變固定線圈內(nèi)部電流的方向，保

13、證它跟永磁體之間的作用力是相互排斥，持續(xù)轉(zhuǎn)動得以延續(xù)。 （圖2.2.2）有刷電機(jī)工作可以不需要電調(diào)，直接把電供給電機(jī)就能夠工作，但是這樣無法控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。無刷電機(jī)工作必須要有電調(diào)，否則是不能轉(zhuǎn)動的。必須通過無刷電調(diào)將直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電，輸給無刷電機(jī)才能轉(zhuǎn)動。一般使用PWM的占空比來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。Crazepony電機(jī)驅(qū)動無刷電機(jī)的操作相對來說是比較麻煩的，而有刷電機(jī)就是我們小時候玩的四驅(qū)車上的那種電機(jī)，接上電就能猛轉(zhuǎn)，反著接它就反著猛轉(zhuǎn)，就是這么簡單。Crazepony使用的是有刷空心杯電機(jī)，所以電機(jī)的控制屬于有刷直流電機(jī)控制，相對于無刷電調(diào)來說要簡單很多。Crazepony采用的是有

14、刷空心杯高速電機(jī)，轉(zhuǎn)速在3W轉(zhuǎn)/分鐘左右。要驅(qū)動有刷電機(jī)，很簡單，只需要將信號的驅(qū)動能力增大，就能驅(qū)動有刷電機(jī)了。那么選擇什么元件來提供這樣的特性呢?Crazepony的電機(jī)驅(qū)動IC選型經(jīng)歷了三級管，中功率管的失敗，最后選用的是場效應(yīng)管（即MOSFET）SI2302。最開始用的三極管作為電機(jī)驅(qū)動，采用很經(jīng)典的共射電路“三極管工作在開關(guān)狀態(tài)應(yīng)該就行了吧？”畫了用三極管驅(qū)動的PCB板，發(fā)現(xiàn)電機(jī)越轉(zhuǎn)越慢，根本沒勁?！耙苍S是因?yàn)槿龢O管扛不了大電流，好吧那我換個中功率管吧，集電極最大6A電流行了吧？”可以想象結(jié)果是不行的。 （圖2.2.3三級管）三極管作為一個古老的半導(dǎo)體先驅(qū)，它是以一個放大器件的姿態(tài)而

15、出現(xiàn)的，它在線性區(qū)域特性集中，飽和與截止都是兩種極端的工作狀態(tài)，而作為電機(jī)驅(qū)動的話，我們只能選擇它的這兩種極端工作模式。用三極管作為大電流負(fù)載的驅(qū)動管時，不得不考慮的是他自身的管壓降對負(fù)載的影響，這是很嚴(yán)重的。自身耗散越來越大，電機(jī)和管子是串聯(lián)關(guān)系，電池電壓只有3.7V，電機(jī)就只能越轉(zhuǎn)越慢了在晶體管家族里面還有一種跟三極管特性互補(bǔ)的，所有特性都集中在開關(guān)狀態(tài)的晶體管，場效應(yīng)管，即MOSFET。通常的場效應(yīng)管完全導(dǎo)通時，源漏極電阻都是m級別的，即它自身的耗散非常小。用它做為驅(qū)動管再合適不過了。最終選擇了一個SOT23封裝的,導(dǎo)通電壓Vgs<4v的場管（SI2302）,結(jié)果表現(xiàn)出了很好的驅(qū)動

16、性能。 （圖2.2.3）每個場效應(yīng)管接一個大電阻下拉，目的是為了防止在單片機(jī)沒接手電機(jī)的控制權(quán)時，電機(jī)由于PWM信號不穩(wěn)定開始猛轉(zhuǎn)。接一個下拉電阻，保證了場管輸入信號要么是高，要么是低，沒有不確定的第三種狀態(tài)。那么電機(jī)也只有兩種狀態(tài)，要么轉(zhuǎn)，要么不轉(zhuǎn)。主控輸出的是PWM波形，用于控制場效應(yīng)管的關(guān)閉和導(dǎo)通，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度。這就是crazepony電機(jī)驅(qū)動的原理。就是這么簡單。2.3 無刷電調(diào)大四軸基本上都是使用的無刷電機(jī)，無刷電機(jī)控制必須配合無刷電調(diào)使用。無刷電調(diào)的輸入是直流，通常直接接航模電池。輸出是三相交流，驅(qū)動無刷電機(jī)。另外無刷電調(diào)還有三根信號線，輸入PWM信號，用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速

17、。對于航模，尤其是四軸飛行器，由于其特殊性，需要專門的航模電調(diào)。 （圖2.3.1）在四軸飛行器上需要專門的電調(diào)呢，其有什么特別的地方？四軸飛行器有四個槳，兩兩相對呈十字交叉結(jié)構(gòu)。在槳的轉(zhuǎn)向上分正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，這樣可抵消單個槳葉旋轉(zhuǎn)引起的自旋問題。每個槳的直徑很小，四個槳轉(zhuǎn)動時的離心力是分散的。不像直機(jī)的槳，只有一個能產(chǎn)生集中的離心力形成陀螺性質(zhì)的慣性離心力，保持機(jī)身不容易很快的側(cè)翻掉。所以通常航模直升機(jī)用到的電機(jī)控制信號更新頻率很低，而航模四軸飛行器用到的控制信號更新頻率很高。四軸為了能夠快速反應(yīng)，以應(yīng)對姿態(tài)變化引起的飄移，需要高反應(yīng)速度的電調(diào)，常規(guī)PPM電調(diào)的更新速度只有50Hz左右，滿足不了這

18、種控制所需要的速度，且PPM電調(diào)MCU內(nèi)置PID穩(wěn)速控制，能對常規(guī)航模提供順滑的轉(zhuǎn)速變化特性，用在四軸上就不合適了，四軸需要的是快速反應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。用高速專用電調(diào)，IIC總線接口傳送控制信號，可達(dá)到每秒幾百上千次的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，在四軸飛行時，姿態(tài)時刻能夠保持穩(wěn)定。即使受到外力突然沖擊，依舊安然無恙。2.2.4 螺旋槳四軸飛行器需要安裝4個槳片，如果4個槳葉都采用逆時針轉(zhuǎn)動，則4個槳葉都會產(chǎn)生一個逆時針旋轉(zhuǎn)的自旋扭力，使得被載體向右自旋；所以四軸飛行器為了抵消這種自旋扭力，設(shè)計(jì)時采用2個正槳和2個反槳，2個順時針和2個逆時針的槳葉按照循環(huán)排列，并且一對槳葉向左旋轉(zhuǎn)，而另一對槳葉向右旋轉(zhuǎn)，這樣就可以抵消掉槳葉轉(zhuǎn)動時發(fā)出的自旋扭力，使飛行器受力均衡。正反槳區(qū)分如下： 正槳在槳片上以“L”字母標(biāo)注，從正槳片正面看以逆時針旋轉(zhuǎn)撥動氣流；反槳在槳片上以“R”字母標(biāo)注，從反槳片正面看以順時針旋轉(zhuǎn)撥動氣流。三 總結(jié)與展望3.1 總結(jié)隨著四軸飛行器的發(fā)展，其在軍用、民用、商用都有較大發(fā)展空間。如2012年賓州大學(xué)的Vijay Kumar在TED大會上發(fā)表四軸飛行器的發(fā)展前景。文中四旋翼飛行器特殊性的構(gòu)造，對飛行器做了初步的設(shè)計(jì)，對飛行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時經(jīng)過地面站成圖像形式檢測。利用出現(xiàn)傳輸模塊對飛行器做各種姿態(tài)調(diào)整。課題最后對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了初步測試，測試結(jié)果顯示飛行