一种低音四轴飞行侦查器的设计与实现

石恒龙 黄光乐黄纹纲 陈立民

重庆理工大学电子信息与自动化学院重庆 400054

【文章摘要】

为使无人飞行器能够更好的完成侦查任务，设计了一种低音四轴飞行侦查器平台。首先进行了飞行器的结构设计、系统整体设计，然后对系统的硬件、软件进行了相应说明。最后对设计的整个系统进行了仿真调试。飞行器可以自主飞行或者遥控飞行。该平台结构合理、简约，充分符合空气动力学理论，飞行阻力系数小，并且环境适应力强，能够适应山地等不平地面，具备较强的侦查能力。

【关键词】

STM32F103；低音；飞行器；结构模型；姿态控制

中图分类号：TP249

文献标识码：A 文章编号：

Design and implementation of abass four axis flight detection device

Shi Henglong，Huang Guangle,Huang Wengang,Chen Limin

(School of Electronic Information and Automation, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

【Abstract】

In order to make the UAV can better complete the task of investigation, design a bass four axis flight detector platform. Firstly, the overall structure design, vehicle system, then the system hardware, software is also discussed. Finally, the whole system design has carried on the simulation debugging. Autonomous flight or aircraft can fly. The platform structure is reasonable, simple, and fully consistent with the theory of aerodynamics, flight drag coefficient is small, and environmental adaptability, able to adapt to the mountain, uneven ground, and strong ability of the investigation.

【Key word】

STM32F103，bass，Aircraft，Structure model，Attitude control

0 前言

近几十年来，为了满足各种民事、军事及科研需要，无人飞行器以其结构简单、易于控制、成本低廉等特点逐渐成为了各个国家研究的热点。

但是无人侦查飞行器技术尚有许多局限，技术迫切需要提升。 在机械结构以及智能化、自动化等方面还需要改进。并且目前所有的小型无人飞行器起降均需要地面相对平坦。

为解决以上飞行器存在的局限性， 本文根据已有的国内外飞行器结构特点， 结合空气动力学理论，提出一种新型低音四轴飞行侦查器。该飞行器的环境适应能力、飞行性能与现有飞行器相比，皆有了大幅度的提升，各方面的性能都有所增加。以32 位高性能STM32F103 控制飞行器平台飞行，并且提供搭载其他功能性配置的接口和平台，能够适应山地、灾区等情况多变的环境。

1 系统整体设计以及飞行原理

为抵消高速螺旋桨产生的反扭矩，使用4 块倒流翼板在个奖处，利用高速流动的空气与倒流翼板之间的反作用力抵消反扭。克服机身产生自旋，同时通过控制舵面倾斜角度，可以改变气流流向，控制飞行器的飞行状态。

采用高性能、低功耗的处理器STM32 系芯片为核心控制器，用于各种飞行状态和飞行参数的检测、数据处理，以及控制电机转速，控制飞行器飞行状态。

系统硬件电路主要包括CPU 最小系统、电源模块、数据测量模块、姿态检测量模块、舵机模块。控制器的控制方式采用开环控制。

在飞行器中，舵机主要用于控制倒流翼与螺旋桨产生的气流的冲击面的角度。在本设计中，倒流翼的角度控制需要快速反映并且需要承受较大的螺旋桨高速旋转产生的反扭矩。因此选择数字型金属齿舵机辉盛9G 舵机。

本设计中利用大气压强来测量飞机飞行高度；采用负温度系数半导体热敏电阻测量气温；采用压阻式传感器测量气压。然后根据选用的设备型号的相应数据手册计算数据。

2 控制系统设计

飞行器软件分别为系统主程序模块、通信协议模块、姿态控制模块、遥控器模块。在系统主程序模块中需要对主控芯片进行时钟、串口、中断向量、传感器接口等初始化。在通信协议模块中，需要在串口接收和发送程序中对接收数据的解析以及发送数据的打包。在姿态控制模块中需要实现PWM 的电机调速控制、舵机的方向调节控制以及PID 姿态控制。在遥控器模块中，主要功能是采集操作者推动摇杆的位移信号，并将位移信号通过串口发送出去。

2.1 通信协议

采用一种串口通信协议的设计方法： 通过合理地设置数据包格式、增加了数据包的求和校验位来保证了数据传输的正确性。

为了保证数据传输的正确性，将数据包定义为起止位：2 字节，数据长度：1 字节，数据位;N 字节，校验位：1 字节。起止位由0xAA0x44 两个字节组成，表示接收到到新的一帧数据；数据长度为发送的总字节数，以便对数据包进行解析；每一个数据位8 个字节；校验和为数据帧除校验位外所有数据的和的低八位。

2.2 PWM 输出和PID 姿态控制

姿态控制模块由PWM 输出子模块与PID 姿态控制子模块组成。其中PMW 输出子模块对螺旋桨进行调速以及舵机角度的控制，PID 姿态控制子模块对姿态进行PID 闭环控制。

飞行器螺旋桨和舵机都是通过对脉

图1 系统主程序流程图

图3 PID 控制飞行器反扭矩

图 2 姿态控制程序流程图010

实验研究

Experimental Research

011

电子制作

冲宽度的控制（PWM）实现螺旋桨的转速调节以及舵机角度的控制。在本设计中，使用通用定时器TIM3 中四个通道控制四个舵机的角度，使用定时器TIM2 的CH0 对螺旋桨进行调速。

飞行器姿态控制系统包括飞行器姿态角稳定和姿态角控制两种工作状态。在本设计中，控制姿态的前提是控制飞行器自旋，也就是控制飞行器姿态角稳定，进而控制飞行器姿态角。

由于单片机只能做离散化的采样，因而在单片机控中, 采用的是数字PID 控制。数字PID 控制根据控制对象的不同可分为位置式PID 控制和增量式PID 控制。在本设计中，控制飞行器角度的执行器是舵机，控制量为舵机的角度，因此采用位置式PID。根据确定的位置式PID 控制方案， 设计了姿态控制程序，程序流程如图2 所示。

2.3 遥控器软件设计

遥控器模块采用STC12C5204AD 单片机作为主控程序，遥控器程序启动后， 首先进行系统初始化，然后在主程序中循环采集摇杆对应的各ADC 通道，ADC 转换结束后将换算得摇杆位移信号经过无线串口发送出去。采集信号采用STC12C5204AD 内部自带有8 路8 位的AD 转换器，分布在P1 口的8 位上，当时钟在40MHz 以下时，每17 个机器周期可完成一次AD 转换。采用接口函数方式，当调用该接口函数后，该程序进行相关初始化后启动AD 转换，转换结束返回相应通道AD 转换结果。

3 数据仿真及调试

下面开始对PID 控制算法进行调试和参数整定，根据常用的凑试法, 确定了比例参数，积分参数和微分参数分别为 2、3.3、3、4。对PID 控制飞行器克服螺旋桨旋转时产生反扭矩进行调试，结果如图3 所示

不断加大螺旋桨转速，在低转速时， 如图中1、2 点所示，控制系统能有效地控制克服螺旋桨产生的反扭矩。而随着转速的增大，飞行器反扭矩越大，同时由于气流涌动的影响，机身处于不稳定状态，如图中3 点所示，系统已处于不可控状态。

图中2 点即为飞行器最佳转速点，系统升力大且处于稳定可控状态。

4 结束语

飞行器的控制需要较高的响应速度， 本文采用的是PID 控制算法。为提升性能，在未来的设计中，可以考虑更加高效、更好性能的算法，比如神经网络、bangbang 控制等现代控制算法，飞行器的控制响应速度会有更大的提升。

在未来，随着科技的进步，低音侦查四轴飞行器将会产生巨大的市场效应和经济价值。具有非常高的研究价值。

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