基于ARM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個呈交叉結構排列的螺旋槳，其獨特的構型能夠滿足復雜環境中的任務需求。文中設計了一種四旋翼直升機飛行控制系統軟硬件方案，通過傳感器實時采集四旋翼的姿態、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開發的地面站軟件實現在線數據采集與調參，并通過實際飛行驗證了本方案的可行性與穩定性。
關鍵詞：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可遙控微型飛行器，它是由4個螺旋槳驅動，通過4個螺旋槳的差速來完成姿態控制。四旋翼飛行器與其他類型的無人機相比具有許多優點，其中主要是其可垂直起降及機動性強等性能，能夠適應各種復雜環境。因此四旋翼飛行器在民用產品、軍事武器等各方面有著廣泛的應用前景。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外圍電路，結合慣性傳感器、超聲波傳感器、GPS接收機、無線數傳模塊，并配套自行開發的地面站軟件設計實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發內容主要包括：飛控板及外圍電路設計，傳感器底層驅動開發，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發。
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；無線數據傳輸模塊用于飛行器與地面站的數據通信。傳感器信息經過飛行控制律的運算處理，最終通過PWM信號輸出至電子調速器，用來控制四個電機的轉速，以實現姿態、位置與高度的控制。地面通過無線數傳實時傳回飛行器信息用以檢測飛行器飛行狀態，同時地面站也可以向飛行器發送控制指令。

四旋翼飛行器的機架選用了市面上做工比較好的Xaircraft-650，其優點是各個組件采用模塊化設計，方便拆卸和損耗更換，同時較高的起落架設計方便在飛行器底部搭載相關傳感器設備。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個快速I／O端口，多達4個16位定時器，5個USRAT、3個SPI、2個I2C、1個CAN、1個USB2．0全速接口。具有優異的實時性能，同時擁有豐富而規范的固件庫，適合飛控板的開發。

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驗開發的功能擴展。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生3．3 V電壓，還需加電容對穩壓后的電壓進行濾波。在保證正確供電和正確接地的同時，需外加兩個晶振電路。其中8M晶振作為系統外部時鐘，起振后為系統提供時鐘信號：32．768K晶振主要用于系統的實時時鐘RTC電路；引出所有引腳以供擴展之用，同時設計了外部復位電路。