本實用新型涉及無人機飛行控制系統(tǒng)，具體涉及一種基于STM32的多旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前多旋翼無人機的飛行控制系統(tǒng)一般都采用主、輔控制器的架構(gòu)。其中，主控制器多以微處理器為主，主要負(fù)責(zé)控制算法的解算；輔助控制器則負(fù)責(zé)對傳感器數(shù)據(jù)的采集和驅(qū)動系統(tǒng)的控制等功能。PC/104模塊和DSP處理器是最常見的主控制器，而輔助控制器多采用單片機或者可編程邏輯器件（CPLN/PGA）。當(dāng)前，ARM處理器被廣泛應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中；在無人機系統(tǒng)中，多應(yīng)用在固定翼的無人機，旋翼無人機中應(yīng)用比較少。

以下介紹一些常見的系統(tǒng)架構(gòu)：

1)基于PC/104模塊和單片機的架構(gòu)

X86系列的CPU處理器是PC/l04模塊最常見的核心部件，該處理器擁有豐富的外圍接口，優(yōu)越的運算處理能力，其主要缺點是功耗高，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且成本也高，不符合本設(shè)計低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計要求。但是，該CPU最大的優(yōu)勢是，能夠?qū)崿F(xiàn)與多數(shù)的系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的兼容，有利于系統(tǒng)的開發(fā)研究。而輔助控制器多采用單片機，通常是8位或者16位的為主，與主控制器之間通過串口進(jìn)行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、飛行姿態(tài)的控制等功能。

2)基于DSP 處理器和單片機的架構(gòu)

DSP處理器作為主控制器，憑借其特殊的功能設(shè)計，具有很強的數(shù)據(jù)處理能力；與PC/104模塊相比，接口更加的豐富，可以實現(xiàn)一部分輔助控制器完成的功能。

在通用性方面，DSP芯片與CPU有所不同，一般不用于嵌入式操作系統(tǒng)中，也沒有太多的通用的應(yīng)用軟件對其進(jìn)行支持，設(shè)計增加了一些難度。

但是，由于DSP芯片的特殊功能設(shè)計，可完成輔助控制器的一部分功能，其架構(gòu)體系可以進(jìn)步的優(yōu)化，能夠滿足一定的微型化、低功耗的設(shè)計要求。

3)基于FPGA 和DSP芯片的架構(gòu)

近些年，可編程邏輯器件(FPGA/CPLD)受到廣泛的關(guān)注，開始被社會大量的應(yīng)用。FPGA可以通過軟件配置其內(nèi)部的硬件資源，使其在硬件設(shè)計和應(yīng)用方面，具有很強的靈活性，同時也可以通過硬件邏輯來實現(xiàn)控制算法的運算，具有較高的性能和效率。

FPGA 與CPLD 相比，其集成度更高和邏輯資源更加的豐富，可通過配合相關(guān)軟核，實現(xiàn)CPU的功能。國外佐治亞理工學(xué)院設(shè)計的FCS20飛行控制系統(tǒng)，就是采用此架構(gòu)來實現(xiàn)的，

FCS20飛行控制系統(tǒng)的控制、通訊和處理都是通過FPGA配合CPU來完成實現(xiàn)的，而其控制算法的運算，則交給了輔助控制器DSP來完成。

與以上三種架構(gòu)相比，本設(shè)計采用雙STM32架構(gòu)設(shè)計，其功耗低，接口多，功能強，能夠進(jìn)一步的實現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)的微型化、低成本、低功耗的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于STM32的多旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠進(jìn)一步實現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)的微型化、低成本、低功耗的要求。

本實用新型按以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種基于STM32的多旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器模塊、控制器模塊、電源模塊、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊、無線通訊模塊、遙控接收模塊和GPS通信模塊；所述傳感器模塊包括三軸螺旋儀、三軸加速度儀、三軸地磁傳感器和氣壓高度計；所述執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊包括多個驅(qū)動電機，通過PWM信號驅(qū)動；所述傳感器模塊、電源模塊、無線通訊模塊和遙控接收模塊分別連接控制器模塊，所述控制器模塊又與執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊相連接；所述控制器模塊作為信號處理部件負(fù)責(zé)完成傳感器信號的采集和處理、姿態(tài)控制及導(dǎo)航控制算法的解算、旋翼轉(zhuǎn)速控制、數(shù)據(jù)通訊的工作，無線通訊模塊負(fù)責(zé)地面控制中心對無人機的飛行控制和跟蹤定位，以及對飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，實現(xiàn)姿態(tài)、位置控制參數(shù)在線修改、下載，遙控接收模塊通過對遙控器通道的控制來控制無人機處于不同的飛行模式。

優(yōu)選的是，所述電源模塊采用AMS1117穩(wěn)壓電路。

優(yōu)選的是，所述控制器模塊采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F107系列微控制器作為多旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)的處理器。

優(yōu)選的是，所述無線通訊模塊采用XBee-PRO OEM RF 模塊。

優(yōu)選的是，所述執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊包括四個無刷直流電機，布局呈十字型，無刷直流電機的軸上分別垂直安裝了四個旋翼。

優(yōu)選的是，還包括PWM信號隔離電路，通過PWM信號隔離電路避免無刷直流電機在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的沖擊電流對控制器模塊的3.3V的信號造成干擾。

優(yōu)選的是，所述PWM信號隔離電路采用ADUM1400隔離器。

本實用新型有益效果：

本實用新型的多旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)，在實現(xiàn)了高集成度、可擴(kuò)展性、小型化和高性價比的同時，滿足飛行控制系統(tǒng)的可行性、可靠性和實時性。

飛行控制系統(tǒng)主要是通過讀取無人機的飛行速度、姿態(tài)和位置等傳感器的數(shù)據(jù)，并完成對傳感器數(shù)據(jù)的處理，從而實現(xiàn)對飛行姿態(tài)和飛行軌跡的控制，使飛行器的能夠穩(wěn)定可靠地自主飛行。另外，該系統(tǒng)還可通過遙控實現(xiàn)地面飛行控制站對無人機的全遙控和半自主遙控模式的飛行控制。

該飛行控制系統(tǒng)可以通過對旋轉(zhuǎn)機翼的轉(zhuǎn)速的控制，實現(xiàn)多旋翼無人機的上升、下降、前進(jìn)、后退、和自由懸停等飛行性能。

附圖說明

圖1為本實用新型控制系統(tǒng)原理框圖；

圖2為AMS1117穩(wěn)壓電路圖；

圖3為PWM信號隔離電路；

圖4為電源隔離電路；

圖中：1—傳感器模塊，2—控制器模塊，3—電源模塊，4—執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊，5—無線通訊模塊，6—遙控接收模塊，7—GPS通信模塊，8—時鐘電路，9—復(fù)位電路，11—三軸螺旋儀，12—三軸加速度儀，13—三軸地磁傳感器，14—氣壓高度計，41—PWM信號隔離電路，42—無刷直流電機。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖，通過具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，一種基于STM32的多旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器模塊1、控制器模塊2、電源模塊3、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊4、無線通訊模塊5、遙控接收模塊6、GPS通信模塊7、時鐘電路8和復(fù)位電路9；傳感器模塊1包括三軸螺旋儀11、三軸加速度儀12、三軸地磁傳感器13和氣壓高度計14；執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊4包括多個驅(qū)動電機，通過PWM信號驅(qū)動；傳感器模塊1、電源模塊3、無線通訊模塊5和遙控接收模塊6分別連接控制器模塊2，控制器模塊2又與執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊4相連接；控制器模塊2作為信號處理部件負(fù)責(zé)完成傳感器信號的采集和處理、姿態(tài)控制及導(dǎo)航控制算法的解算、旋翼轉(zhuǎn)速控制、數(shù)據(jù)通訊的工作，無線通訊模塊5負(fù)責(zé)地面控制中心對無人機的飛行控制和跟蹤定位，以及對飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，實現(xiàn)姿態(tài)、位置控制參數(shù)在線修改、下載，遙控接收模塊6通過對遙控器通道的控制來控制無人機處于不同的飛行模式。

電源作為多旋翼無人機動力源泉，是系統(tǒng)能夠正常工作的保障，其電路設(shè)計的好壞，將直接影響到整個飛行控制系統(tǒng)，因此在整個系統(tǒng)中具有十分重要的地位。一個電源設(shè)計的足夠優(yōu)秀，往往能過將系統(tǒng)發(fā)生故障的概率大大降低。本實用新型所設(shè)計的飛行控制系統(tǒng)需要5V和3.3V的電壓。為了增加系統(tǒng)的優(yōu)越性，本實用新型選用AMS1117是一個正向低壓降穩(wěn)壓器完成電源模塊的設(shè)計。AMS1117是一個低漏失電壓調(diào)整器,它的穩(wěn)壓調(diào)整管是由一個PNP驅(qū)動的NPN管組成的，固定輸出電壓為1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V和可調(diào)版本，具有 1％的高精度，內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，為系統(tǒng)提供了過載和過熱保護(hù),以防環(huán)境溫度造成過高的結(jié)溫，如圖2所示。

本實用新型所采用的STM32F107系列微處理器，其具64KbFlash，以及64K字節(jié)的SRAM能滿足飛行控制程序?qū)ζ洗鎯Y源的要求；具有4個定時器，可以滿足8路PWM信號輸出要求；3路SPI通訊接口，滿足加速度計、角速率陀螺及磁傳感器對通信接口的要求；2路I2C通信接口，滿足 4 路無刷電調(diào)通信要求；3個USART口和2個UART口，滿足GPS 接收機、地面通訊無線鏈路、氣壓高度計等模塊的通信要求；此外其DMA控制器能大大減輕CPU數(shù)據(jù)通信負(fù)擔(dān)，在不影響控制算法解算的前提下，完成同地面站及GPS接收機模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。

無線通訊模塊5是飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)地面控制中心對無人機的飛行控制和跟蹤定位，以及對飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，實現(xiàn)姿態(tài)、位置控制參數(shù)在線修改、下載。為了保證傳輸信息的及時性和準(zhǔn)確性，控制系統(tǒng)要求無線通訊實時性、高誤碼率低。因此，本實用新型選用XBee-PRO OEM RF 模塊。

XBee-PRO OEM RF 模塊是與ZigBee/IEEE802.15.4兼容的解決方案，可以滿足低成本低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特殊需求。該模塊憑借其易于使用，極低的功耗，能夠提供設(shè)備間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠傳輸?shù)膬?yōu)點，以及其ISM 2.4GHz工作頻率、60毫瓦(18dBm)功耗輸出和100毫瓦 EIRP（有效全向輻射功率）(高達(dá)1英里范圍)，因此被廣泛使用。

遙控接收模塊6是為了增加飛機的可操控行和飛行的安全性而設(shè)置的，通過對遙控器通道的控制來控制無人機處于不同的飛行模式，主要是遙控飛行模式和自主飛行模式。

四旋翼無人機可工作在手動和自主飛行模式下，因此需要接收遙控信號獲取相應(yīng)操作指令，并實現(xiàn)手動和自主飛行模式的切換。為了保證遙控信號具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾性能，本實用新型選取Futaba 遙控器。遙控器接收機接收的信號是脈沖調(diào)制信號（Pulse Position Modulation，PPM），PPM 信號滿足 PPM 協(xié)議，即信號周期為 18-20ms，有效脈沖寬度為 1.1ms-1.6ms。本實用新型將接收機通過UART與接收機連接，通過編程對 PPM 信號進(jìn)行解碼，其輸出信號與所需信號相反，因此中間通過DM74LS04M連接。

本實用新型設(shè)計的多旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)，機身配有4個無刷直流電機42，布局呈十字型，電機軸上分別垂直安裝了4個旋翼。微控制器通過輸出一定占空比的PWM信號來控制各個電機的旋轉(zhuǎn)速度，為無人機提供飛行動力。無人機在飛行過程中，需要產(chǎn)生一個克服自身重力的升力，因而，會使電機在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生一個很大的沖擊電流，該電流會對微處理器芯片的3.3V的信號造成干擾，為了減小這種干擾，需要在電機驅(qū)動芯片之前設(shè)計電氣隔離電路，以使電機和處理芯片達(dá)到完全隔離，從而提高整個飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

本系統(tǒng)選用ADUM1400芯片設(shè)計PWM輸出信號的隔離部分。ADUM1400是采用ADI公司i Coupler技術(shù)的4通道數(shù)字隔離器。其將高速CMOS技術(shù)與單芯片變壓器技術(shù)融合，使其具有出色的優(yōu)越于光耦合器的性能特點。i Coupler器件由于不采用LED和光電二極管器件，因此避免了采用光耦合器設(shè)計而產(chǎn)生的麻煩。

ADUM1400隔離器可提供四個獨立的隔離通道，支持多種通道配置和數(shù)據(jù)速率?？刹捎?.7 V至5.5 V電源電壓工作，與低壓系統(tǒng)兼容，并且能夠跨越隔離柵實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能。此外，ADUM1400具有低脈沖寬度失真（CRW級小于2 ns）和嚴(yán)格的通道間匹配（CRW級小于2 ns）特性。與其它光耦合器不同，ADUM1400隔離器具有已取得專利的刷新特性，可確保不存在輸入邏輯轉(zhuǎn)換時及缺少一個電源條件下的直流正確性。此外，在信號數(shù)據(jù)速率相當(dāng)?shù)那闆r下，i Coupler器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6，符合飛行控制系統(tǒng)的低功耗，微型化的設(shè)計要求，如圖3所示。

ADUM14OO的VIA-VID管腳接處理器的PWM信號的輸出，管腳VOA-VOD接電機驅(qū)動PWM信號線；管腳VDD1和GND1接飛行控制系統(tǒng)上面正5V電源和地；VDD2、VE2和GND2,接電機驅(qū)動提供的正5V電源和地。由于VDD1和VDD2的正5V電源不同，因此，需要設(shè)計電源隔離電路，如圖4所示。

目前,嵌入式處理器都是時序電路，需要一個穩(wěn)定的時鐘信號提供時序基準(zhǔn)才能工作。大多數(shù)處理器內(nèi)部都具有晶體振蕩器，只需提供外部時鐘源就可正常工作，所以需要設(shè)計相應(yīng)的時鐘電路。

在STM32中，有五個時鐘源，為HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。

1)HSE是高速外部時鐘，可接石英/陶瓷諧振器，或者接外部時鐘源，頻率范圍為4MHz-16MHz。

2)LSI是低速內(nèi)部時鐘，RC振蕩器，頻率為40kHz。

3)LSE是低速外部時鐘，接頻率為32.768kHz的石英晶體。

4)PLL為鎖相環(huán)倍頻輸出，其時鐘輸入源可選擇為HSI/2、HSE或者HSE/2。倍頻可選擇為2-16倍，但是其輸出頻率最大不得超過72MHz。

為了使微處理器能夠正常工作，必須給系統(tǒng)提供一個確定的狀態(tài)，因此，每一個微控制器自帶一個復(fù)位邏輯，對其進(jìn)行初始化，為系統(tǒng)提供確定狀態(tài)。通常，啟動復(fù)位邏輯需要一個復(fù)位信號，STM32F107系列支持三種復(fù)位形式，分別為系統(tǒng)復(fù)位、上電復(fù)位和備份區(qū)域復(fù)位。系統(tǒng)復(fù)位除了時鐘控制器的RCC_CSR寄存器中的復(fù)位標(biāo)志位和備份區(qū)域中的寄存器。以外，系統(tǒng)復(fù)位將復(fù)位所有寄存器至它們的復(fù)位狀態(tài)。 當(dāng)發(fā)生以下任一事件時，產(chǎn)生一個系統(tǒng)復(fù)位：

1）NRST引腳上的低電平(外部復(fù)位) ；

2）窗口看門狗計數(shù)終止(WWDG復(fù)位) ；

3）獨立看門狗計數(shù)終止(IWDG復(fù)位) ；

4）軟件復(fù)位(SW復(fù)位) ；

5）低功耗管理復(fù)位 ；

可通過查看RCC_CSR控制狀態(tài)寄存器中的復(fù)位狀態(tài)標(biāo)志位識別復(fù)位事件來源。

本實用新型的多旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)，在實現(xiàn)了高集成度、可擴(kuò)展性、小型化和高性價比的同時，滿足飛行控制系統(tǒng)的可行性、可靠性和實時性。

飛行控制系統(tǒng)主要是通過讀取無人機的飛行速度、姿態(tài)和位置等傳感器的數(shù)據(jù)，并完成對傳感器數(shù)據(jù)的處理，從而實現(xiàn)對飛行姿態(tài)和飛行軌跡的控制，使飛行器的能夠穩(wěn)定可靠地自主飛行。另外，該系統(tǒng)還可通過遙控實現(xiàn)地面飛行控制站對無人機的全遙控和半自主遙控模式的飛行控制。

該飛行控制系統(tǒng)可以通過對旋轉(zhuǎn)機翼的轉(zhuǎn)速的控制，實現(xiàn)多旋翼無人機的上升、下降、前進(jìn)、后退、和自由懸停等飛行性能。