基于ARM的四旋翼飞行器设计

四旋翼飞行器是一种结构新颖、性能优越的垂直起降飞行器，具有操作灵活、带负载能力强等特点。根据设计方案采购飞行器机体模型，选择直流无刷电机，功能强大的微处理器、传感器等元器件以满足系统需要。根据系统动力学模型设计控制算法，设计四旋翼飞行器控制系统控制规律。

【关键词】ARM 无刷电机 陀螺仪 磁力计 无线控制

1 飞行控制系统总体设计

系统核心控制器为ARM cortex—M3内核的单片机；惯性测量元件（IMU）提供飞行器姿态的数据等信息；高度传感器采用超声波传感器；GPS接收机输出飞行器的位置信息；无线数据模块用于飞行器与地面站的数据通信。地面传回飞行器信息，向飞行器发送控制指令。

2 飞控系统硬件设计

2.1 飞控核心板设计

主控芯片选用意法半导体公司的ARM Cortex—M3内核。其功耗低，处理速度快，拥有丰富的固件库，适合飞控板的开发。飞控板需外加两个晶振电路。8M晶振作为系统外部时钟，为系统提供时钟信号；32.768K晶振用于系统的实时时钟电路。

2.2 传感器数据采集及通信接口设计

2.2.1组合导航系统数据采集

组合导航系统采用惯性导航与GPS结合的方案，为无人机提供可靠性好和精确度高的导航信息。惯性导航系统选择基于MEMS技术的惯性传感器，结合卡尔曼滤波算法及三轴磁力计温度补偿进行姿态解算和估计。传感器输出的数字信号通过串口发送。

2.2.2超声波传感器

用于测量高度的超传感器采用SensComp公司的615088传感器。采用捕获中断方式测得超声波发送信号与经障碍物反射的信号，做差换算得到超声波模块与障碍物的距离。实测在10 m范围内的距离，误差不超过0.1%，满足四旋翼飞行器飞行的精度要求。

2.2.3无线数传模块

本方案所选用的无线传输模块，在开阔地的传输距离可达800 m。主控芯片通过无线传输模块与PC机进行通信，传送获得的飞行数据到PC机以监测飞行状态，同时PC机也可以向飞行器传送控制指令。

2.2.4 PWM信号与输出

由于四旋翼飞行器的飞行完全依靠四个电机的转速变化来控制，滚转、俯仰、偏航以及油门通道需4个电机联动来实现对飞行器的控制。在油门通道控制信号的基础上叠加其余通道信号，混控合成之后的信号输出至4个电子调速器对电机加以控制。

根据四旋翼姿态控制原理，定义电机序号及机体轴系如图1所示。

上述代码中T为控制器的控制周期，ek为四旋翼飞控指令与反馈信号的差值，uk为PID的输出信号，k为控制节拍序号，Kp、Ki、Kd分别为PID控制器的比例、积分、微分项系数。采用上述算法分别设计飞行器的滚转、俯仰、偏航、定高以及GPS定点的PID控制器。

4 系统实现与飞行试验

依据上述各个部分完成飞行器硬件平台的搭建和控制算法程序的编写，反复进行试飞调参，实现飞行器的GPS定点定高定航向悬停，在外界强干扰的情况下能够很好地稳定姿态。

参考文献

[1]杨明志，王敏.四旋翼微型飞行器控制系统设计[J].计算机测量与控制，2008，16（4）：485-490.

[2]陈茜茜.微型无线图像传输系统的设计[D].成都：电子科技大学信息与通信工程学院，2005.

[3]王永虹，徐炜，郝立平.STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

作者单位

桂林电子科技大学 广西壮族自治区桂林市 541004