ＥＬＥｃＴＲ０ＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ・技术交流 基于ＳＴＭ３２的四旋翼无人飞行器控制系统 长江大学电子信息学院邓其龙朱耀钟 【摘要】本文以ｓＴＭ３２Ｆ１０３ｚＥＴ６单片机为核心，设计了一款四旋翼无人飞行器控制系统，实现了四旋翼无人飞行器的 姿态控制。并详细介绍了控制系统硬件和软件的设计方法，利用Ｍａｔｌａｂ仿真工具设计了模糊ＰＩＤ控制器，实现了四旋翼 无人飞行器的垂直起降、自主悬停和远程遥控。 【关键词】四旋翼无人飞行器；飞行控制系统；模糊ＰＩＤ控制器；姿态解算 ＳＴＭ３２＿ｂａｓｅｄ ｆｏｕｒ－ｒｏｔｏｒ ＵＡＶ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ＤＥＮＧ Ｑｉ．１ｏｎｇ，ＺＨＵ Ｙａｏ．ｚｈｏｎｇ （Ｙａｎｇｔｚｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎｇｚｈｏｕ ４３４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｃｏｒｅ，ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｆｏｕｒ．ｒｏｔｏｒ ＵＡＶｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａ ｆｏｕｒ—ｒｏｔｏｒ ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｉｒｖｅｈｉｃｌｅ’Ｓ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏ１．Ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｄｅｓｉｇｎ ｏｆｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｕｓｉｎｇ Ｍａｔ１ａｂ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏｏｌｓ．ａ ｆｏｕｒ－ｒｏｔｏｒ ＵＡＶ ＶＴＯＬ，ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｈｏｖｅｒ ｙｏｕｒ ｍｏｕｓｅ ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｑｕａｄｒｏｔｏｒ ＵＡＶ；ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ；ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｒ ｆｐｏｓｔｕｒｅｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ 内共有六个自由度，飞行器的飞行状态主要包括垂直运 前言 近年来，四旋翼无人飞行器日益受到了研究人员的 关注。由于四旋翼无人飞行器具有垂直起降、可携带远 程设备、控制灵活等优点，目前己广泛应用于影视、消 防、农业、电力系统等领域。 本研究在当前的四旋翼无人飞行器控制理论与技术 基础上，选用意法半导体的３２位ＳＴＭ３２系列微处理器，采 用数字三轴陀螺仪ＭＰＵ６０５０等传感器设计了硬件系统， 利用仿真工具ＭＡＴＬＡＢ设计了非线性控制器一模糊ＰＩＤ控制 器，并在此基础上搭建了硬件实验平台，最终完成了预 期设计目标。 动、俯仰飞行、横滚飞行以及偏航飞行。 ｉ 麓，ｌ２ 麓翼３ 图１四旋翼无人飞行器结构图 １．２控制系统总体框架 １ 系统工作原理和结构框架 １．１四旋翼飞行器工作原理 四旋翼无人飞行器的飞行控制系统由传感器、ＭＣＵ、 电调和电源四大部分组成。传感器用来测量四旋翼无人 飞行器飞行时与姿态有关的数据，主控制器根据这些数 据、内置状态和地面遥控指令进行综合分析处理，然后 输出４路ＰｗＭ脉冲控制电调从而改变电机转速，实现预期 的飞行姿态。 四旋翼无人飞行器使用四个独立的无刷电机作为系 统的动力系统，四个电机分别安装在十字机架的四个顶 端位置，把同一对角线上的两个电机分为一组，当旋翼 １和旋翼３逆时针旋转时，可以产生逆时针方向的扭矩； 当旋翼２和旋翼４顺时针旋转时，产生的扭矩是顺时针方 ２系统硬件设计 本设计采用意法半导体的ＳＴＭ３２ＦｌＯ３ＺＥＴ６作为系统的 向，这样四个电机的反扭矩会被相互抵消，因此通过控 制四个电机的转速就能控制四旋翼无人飞行器的飞行姿 态。其结构模型如图１所示。四旋翼飞行器在三维空间 主控制器，高达７２ＭＨｚ主频，具备ＤＭＡ单元，有多达２４路的 基金项目：国家级大学生创新训练计划，批准文号：１０４８９２０１４０１２。 电子ｔ蟹Ｉ●・１７１・