基于STM32的四旋翼无人机设计
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摘 要：近年来，随着轻型复合材料广泛应用以及多旋翼无人机结构的出现，无人机已经不仅应用在军事领域，其他领域的应用也越来越广泛。本文主要对多旋翼无人机结构进行研究，设计一种以STM32F103C8T6为核心，MPU6050三轴陀螺仪作姿态传感器输出姿态值，以HM-12、HM-13系列蓝牙模块与手机通信的四旋翼无人机。该无人机结构合理、操作灵活、性能良好、使用方便，适合现代生活多方需求。
关键词：嵌入式 STM32F103C8T6 控制系统
中图分类号：V249.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）10（c）-0061-02
随着科技的进步，无人机的发展十分迅猛，其已在诸多领域有着重要的作用。四旋翼无人机更是其中的一个典型。相比起其他传统无人机，其操作灵活，地形限制少，携带方便，价格低廉的优势无疑更贴近我们的生活，如无人机航拍，监控，勘测地形等。因此，四旋翼无人机在未来的发展中无疑是极具前景的。
1 硬件结构与原理
四旋翼无人机主要由四轴飞行器和手机控制APP两部分组成，其中四轴飞行器则是由四轴核心板，四轴螺旋桨，蓝牙无线模块，电池四部分组成，手机APP则是通过安卓语言开发的简易程序来与四轴飞行器上的蓝牙模块连接，达到可以控制飞行器的目的。
四旋翼无人机根据四旋翼对称的结构，其有两种飞行姿态，一种是根据四旋翼十字对称的结构，将处于同一水平线的一对机架梁作为x轴另一对梁作为y轴的“+”型飞行姿态，如图1所示。另一种是将相应两个梁的对称轴线作为x轴，另一条对称轴线作为y轴的“X”型飞行姿态，如图1所示。
四旋翼飞行器是一种欠驱动系统，其只有四个输入力，但却同时输出六个状态。实现其飞行的主要便就是调节PWM占空比来调节电机转速，使旋翼旋转，产生上升或下降的力。同时调节四个电机的转速，便可以实现无人机的垂直运动，在通过调节不同的电机的转速，还可以实现俯仰，滚动，偏航等多种运动，其操作简单，灵活多变的特性能极大的方便我们的生活。
2 系统框架设计
四旋翼无人机大致可分为六个部分，STM32F103C8T6单片机为核心，主要负责整个系统的协调工作;惯性测量模块使用MPU6050来测量四旋翼的姿态;无线通信模块使用HM-12蓝牙模块来与手机进行通信;电机驱动模块则使用直流电机负责调控旋翼;电源管理模块负责稳压和充放电。手机APP模块则是与蓝牙模块连，实现用手机操作无人机的效果。其整体框架如图2所示。
3 系统软件设计
基于STM32的四旋翼无人机软件设计主要包括姿态解算和PID控制两个部分。姿态解算属于四旋翼制作的核心部分，如果姿态解算能够实时的反应出无人机的状态，那么对于控制来讲就相对来说比较容易了。而姿态结算所要做的事情就是地理坐标系与载体坐标系这两个坐标系之间的正确转化。姿态解算的核心在于旋转，一般旋转有矩阵表示、欧拉角表示、轴角表示和四元数表示4种，在组合旋转方面，四元数表示最佳，故本文采用四元数保存组合姿态、辅以矩阵来变换向量的方案。在姿态解算中使用四元数来保存飞行器的姿态，包括旋转和方位。在获得四元数之后，会将其转化为欧拉角，然后输入到姿态控制算法中。总体设计则是通过MPU6050采集到的AD值（即陀螺仪和加速度值），将三个维度的AD值转化为四元数，再通过四元数转化为欧拉角pitch、roll、yaw即得到当前飞机的姿态。其中这个四元数是软解，由STM32F103C8T6主控芯片读取到AD值，用软件从AD值算得。
该系统对四旋翼的控制采用PID控制，利用期望姿态（pitch=0，roll=0，yaw=0）与当前姿态的误差，通过PID的控制作用输出四路不同的PWM驱动电机让飞机调整自己的姿态满足当前姿态与期望姿态的误差为0的目标。其中，角度作为外环，角速度作为内环，进行姿态双环PID控制。角度环的输出值作为角速度环的输入建立自稳系统。其原理流程如图3所示。
4 结语
本系统以STM32F103C8T6为核心，通过MPU6050输出模块的姿态值，在使用PID控制来调节PWM的电机速率，通过无线蓝牙模块与手机蓝牙相连，直接使用手机APP即可控制无人机。
参考文献
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