基于A(yíng)RM內核單片機的四旋翼直升機飛行控制系統設計

摘要：四旋翼直升機具有4個(gè)呈交叉結構排列的螺旋槳，其獨特的構型能夠滿(mǎn)足復雜環(huán)境中的任務(wù)需求。文中設計了一種四旋翼直升機飛行控制系統軟硬件方案，通過(guò)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算法設計飛行控制律，以ARM Cortex—M3內核高性能單片機作為主控制器。最后采用CVI開(kāi)發(fā)的地面站軟件實(shí)現在線(xiàn)數據采集與調參，并通過(guò)實(shí)際飛行驗證了本方案的可行性與穩定性。
關(guān)鍵詞：四旋翼直升機；飛行控制；單片機；慣性導航系統

四旋翼飛行器(Ouadrotor，Four-rotor，4 rotors helicopter，X4-flver等)是一種特殊構型的電動(dòng)可遙控微型飛行器，它是由4個(gè)螺旋槳驅動(dòng)，通過(guò)4個(gè)螺旋槳的差速來(lái)完成姿態(tài)控制。四旋翼飛行器與其他類(lèi)型的無(wú)人機相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中主要是其可垂直起降及機動(dòng)性強等性能，能夠適應各種復雜環(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(zhù)廣泛的應用前景。文中將介紹四旋翼飛行器控制系統的軟硬件設計方案與實(shí)現。

1 飛行控制系統總體設計
四旋翼飛行器控制系統的設計主要包括主飛行控制板和相關(guān)外圍電路，結合慣性傳感器、超聲波傳感器、GPS接收機、無(wú)線(xiàn)數傳模塊，并配套自行開(kāi)發(fā)的地面站軟件設計實(shí)現一套完整的四旋翼飛行器自主飛行控制系統。
四旋翼飛行器飛行控制系統的開(kāi)發(fā)內容主要包括：飛控板及外圍電路設計，傳感器底層驅動(dòng)開(kāi)發(fā)，PWM控制信號的混控輸出，飛行控制律程序設計以及地面站軟件的設計與開(kāi)發(fā)。
飛控系統的總體設計方案如圖1所示。系統核心控制器為一款基于ARM cortex—M3內核的單片機；慣性測量元件(IMU)主要提供解算飛行器姿態(tài)的數據等信息；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接收機輸出飛行器的位置信息；無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊用于飛行器與地面站的數據通信。傳感器信息經(jīng)過(guò)飛行控制律的運算處理，最終通過(guò)PWM信號輸出至電子調速器，用來(lái)控制四個(gè)電機的轉速，以實(shí)現姿態(tài)、位置與高度的控制。地面通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳實(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。

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

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

飛控板采用最小系統加全部接口引出的設計，即保證系統能夠正常工作的前提下，引出所有擴展接口以方便后續實(shí)驗開(kāi)發(fā)的功能擴展。主控芯片STM32F103的最小系統原理電路設計框圖如圖3所示，由于主芯片需要3．3 V電壓供電，所以采用穩壓芯片產(chǎn)生3．3 V電壓，還需加電容對穩壓后的電壓進(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(gè)晶振電路。其中8M晶振作為系統外部時(shí)鐘，起振后為系統提供時(shí)鐘信號：32．768K晶振主要用于系統的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC電路；引出所有引腳以供擴展之用，同時(shí)設計了外部復位電路。