自主巡航的四軸飛行器的硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

謝雨松

摘要：本文主要介紹一種自主巡航的四軸飛行器電路的硬件原理設(shè)計。四軸飛行器以STM32單片機(jī)為整個系統(tǒng)的控制核心，利用超聲波模塊、陀螺儀模塊定高穩(wěn)定飛行姿態(tài)，帶動4個電機(jī)旋轉(zhuǎn)飛行，利用GPS模塊精確自主巡航；通過無線與地面端連接確定飛行路線。該飛行器可以作為進(jìn)一步研究的平臺。

關(guān)鍵詞： STM32；四軸飛行器；傳感器；硬件設(shè)計

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）11-0250-04

Abstract： Introduce the hardware design principle of auto-flight quad-rotor aircraft. The craft with STM32 micro-controller uses ultrasonic and gyroscope module for equilibrium， driving 4 motors for flying. The machine receives route from its master with wireless module， then use GPS for accurate flight. The machine can be a platform for further research.

Key words： STM32； Quad-rotor Aircraft； Transducer； Hardware design

隨著自動控制、傳感器、機(jī)械、計算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，四軸飛行器研究領(lǐng)域也蓬勃發(fā)展[1]。四軸飛行器具備飛行器的全部長處，又有無人機(jī)的造價低、可反復(fù)性強(qiáng)以及事故成本低等特征[2]，在多個領(lǐng)域得以運(yùn)用，如在軍事上方面，進(jìn)行地面沙場觀察和監(jiān)察，謀取情報人員不易竊取的特殊信息，或在禁飛區(qū)巡查警戒以保障安全等特殊使命，可應(yīng)對現(xiàn)代電子戰(zhàn)、實(shí)現(xiàn)通信中繼等現(xiàn)代戰(zhàn)爭模式。在民用方面，可用于地震等特大災(zāi)情人員搜救、交通巡查與特定目標(biāo)追蹤等等。工業(yè)方面，可用于安全檢視，對污染的大型化工現(xiàn)場進(jìn)行視頻拍攝，方便專業(yè)人員進(jìn)行險情評估。顯而易見，四軸飛行器將來的發(fā)展光景，不可限量。

本文將對自主巡航四軸飛行器的硬件電路組成做出具體說明。該飛行器是基于STM32F103C8T6單片機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，其主要包括主控制板模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)使模塊、姿態(tài)控制模塊、無線傳輸模塊和飛行導(dǎo)航模塊等。飛行器能實(shí)現(xiàn)通過導(dǎo)航模塊中的GPS模塊獲取四軸三維位置，使其按既定路線行進(jìn)，微處理器通過無線模塊，遠(yuǎn)程傳遞四軸實(shí)時狀態(tài)，報告地面接收站信息。除了完成現(xiàn)有功能，將來可在已有功能的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行新功能的重新開發(fā)研究，滿意各種情況下的實(shí)際需求。

1系統(tǒng)整體方案

四軸硬件系統(tǒng)主要由主控制板模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)使模塊、姿態(tài)控制模塊、無線傳輸模塊和飛行導(dǎo)航模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)總體原理圖設(shè)計如圖1所示，其硬件實(shí)物圖設(shè)計如圖2和圖3所示。

整個電路的中心是微控制器STM32F103C8T6芯片，PC事先編譯好的HEX文件，通過SWD口下載到微控制器中，微處理器通過串口連接PC機(jī)后，在PC上進(jìn)行調(diào)試，預(yù)留了串行USART、I2C、SPI等接口可供陀螺儀、無線模塊等功能擴(kuò)展，電源模塊為系統(tǒng)的各個模塊供電，其中電池為11.1V，通過電調(diào)降壓為5V，同時通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓至3.3V供給其他電路，四軸自主巡航飛行時通過導(dǎo)航模塊中的6軸獲取四軸姿態(tài)信息，通過GPS獲取三維位置，判斷是否在巡航路線上，依照事先設(shè)定的算法進(jìn)行導(dǎo)航飛行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

四軸硬件系統(tǒng)主要由主控制板模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)使模塊、姿態(tài)控制模塊、無線傳輸模塊和飛行導(dǎo)航模塊等構(gòu)成。

2.1 主控制板模塊

主控模塊選用STM32F103C8T6芯片。該芯片具有如下特點(diǎn)： 它是ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，內(nèi)置多達(dá)512KB的嵌入式Flash，可用于存儲程序和數(shù)據(jù)[3]，

嵌入式SRAM多至64KB，滿足以系統(tǒng)的時速進(jìn)行讀寫（不等待情況下）?？梢允褂镁幊唐鳎沟肧P Flash可與引導(dǎo)程序進(jìn)行多次編程。該芯片種類多，數(shù)量大，滿足了四軸飛行器電路硬件設(shè)計的開發(fā)需求。而且價錢合理，被廣泛使用，并且有著相當(dāng)多的資料可供查詢。圖4為四軸主控制板模塊關(guān)于STM32F103的管腳分配電路圖。

如圖所示MCU選用STM32F103芯片，其中pin30-31是串口信號；pin34、37是MCU的下載信號，pin38是羅盤的中斷信號，pin18是MPU6050中斷信號，pin39、2、3、4是4個電機(jī)的LED燈用于指示4軸方向，pin40是無線通訊模塊中斷請求信號，pin41是無線通訊模塊使能信號，pin42、43、45、46是四個點(diǎn)擊的驅(qū)動輸出，pin21是IIC的SCL信號pin22是IIC的SDA信號，pin25是SPI的CSN信號，pin26是SPI的SCK信號，pin27是SPI的MISO信號，pin28是SPI的MOSI信號，pin7是MCU復(fù)位信號，pin5-6是MCU的時鐘源。

2.2 電源模塊

整個電源模塊由11.1V電池供電，并通過電調(diào)將壓到5V。組成系統(tǒng)的各個模塊，所需的供電電壓不同，因而需要將到達(dá)各個模塊的電壓進(jìn)行升降處理，以滿足該模塊的實(shí)際需要。從VCC5V引出到K1開關(guān)，通過開關(guān)進(jìn)行控制，開關(guān)的輸出電壓是5V，并設(shè)計有一指示燈，可用來判斷開關(guān)出口是否供電正常，并串聯(lián)一個限流電阻，防止電流過大燒毀LED燈，從U1的引腳2引出一個輸出到各個模塊，為各個模塊提供電源。XC6206是一個正向低電壓穩(wěn)壓器，內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，通過線性穩(wěn)壓芯片XC6206輸出3.3V的穩(wěn)定電壓。J7、J8、J10、J11的1引腳作為電調(diào)的PWM輸出鏈接。調(diào)壓各模塊電路圖如圖5所示。

2.3 姿態(tài)測量模塊

陀螺儀MPU6050，氣壓計MS5611和羅盤HMC588L都通過同一個IIC連接到MCU，并且IIC_SCL和IIC_SDA分別接連接4.7K上拉電阻。三個模塊都是VDD3.3供電。MPU6050和HMC588L有中斷引腳，分別為MPU6050_INT和HMC_DRDY連接MCU產(chǎn)生中斷信號。GPS模塊直接連接J9，直接通過UART和MCU連接。

MPU-6000（6050）的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec （dps），能夠精確獲取快慢動作，并且，用戶可程序控制加速器感測范圍為±2g、±4g±8g與±16g。產(chǎn)品傳輸可透過最高至400kHz的IC或最高達(dá)20MHz的SPI（MPU-6050沒有SPI）[4]。MPU-6000可在不同電壓下工作，VDD供電電壓介為2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，邏輯接口VVDIO供電為1.8V± 5%（MPU6000僅用VDD）。MPU-6000的包裝尺4x4x0.9mm（QFN），在業(yè)界是革命性的尺寸。除此之外，還內(nèi)嵌溫度感測器及在實(shí)際操作中僅僅±1%變換的振蕩器[5]。

在進(jìn)行讀取MPU6050的原始數(shù)據(jù)時，首先要進(jìn)行6050地址的配置，以區(qū)別I2C中多個從機(jī)。管腳AD0可用來配置從機(jī)的地址，若拉低，則從機(jī)地址被設(shè)置為0xD0。當(dāng)開始標(biāo)志S發(fā)出信號后，主設(shè)備會通過SDA數(shù)據(jù)線傳輸一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，其中前七位表示從機(jī)地址，最后一位用來表示R/W位，表示主設(shè)備是要往從設(shè)備讀數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)。接著，主設(shè)備會接收到從設(shè)備來的應(yīng)答信號（ACK）。每傳輸一個字節(jié)，都會收到一個ACK，以確認(rèn)數(shù)據(jù)被接收。ACK在傳輸過程中，SDA被拉低，并且，如果SCL時鐘線為高電平，則SDA保持低電平。用停止位P來結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸，并且SDA數(shù)據(jù)線被釋放。如果主設(shè)備同時與多臺從設(shè)備進(jìn)行通信，則可直接產(chǎn)生重復(fù)地S標(biāo)志來與另一臺從設(shè)備通信，不必產(chǎn)生P標(biāo)志[6]。易知，除了S和P標(biāo)志，當(dāng)SCL為低時，SDA數(shù)據(jù)線才會發(fā)生信號的改變。

MS5611是由美國MEAS公司研發(fā)的一款全新高分辨率氣壓傳感器，具有PI和I2C總線接口的，高達(dá)到10cm的分辨率。該模塊的組成部分主要有超低功耗的24位∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及高線性度的壓力傳感器。該氣壓傳感器具有一個精確的24位數(shù)字壓力值和溫度值并且提供不同的操作模式，在減少電流損耗的同時也提升了轉(zhuǎn)變速度[7]。擁有高分辨率的溫度輸出條件下，可直接達(dá)成高度計/溫度計功能。

MS5611提供兩種類型的串行接口：SPI和I2C。I2C或SPI的選取由PS引腳的電平高低決定。本文采用I2C通信接口，主設(shè)備提供SCLK時鐘源，通過SDA數(shù)據(jù)線進(jìn)行主從設(shè)備間數(shù)據(jù)的交換。與MPU6050一致，MS5611也通過SDA給主設(shè)備發(fā)送相應(yīng)信號ACK。I2C只需要兩根信號線實(shí)現(xiàn)了通信，減少了所占用的板空間。補(bǔ)充引腳CSB的高低決定了氣壓計的地址，故一條I2C線上可接有兩個地址配置不同的傳感器。CSB引腳應(yīng)當(dāng)連接到VDD或GND（不能懸空）。

HCM588L采用領(lǐng)先于其他磁傳感器技術(shù)的霍尼韋爾各向異性磁阻（AMR）技術(shù)。該類傳感器具備高靈敏度的軸向及高精度的線性特性。并且具有可用于測量地球磁場方向和大小的對正對交軸的低靈敏度固相結(jié)構(gòu)，范圍從毫高斯到8高斯。[8]

本文中，HCM588L同樣采取I2C通信協(xié)議。該協(xié)議具有標(biāo)準(zhǔn)的100kbps或者400kbps數(shù)據(jù)傳輸速率。HCM588L作為從機(jī)時，默認(rèn)情況下，地址為0x3C時為寫入操作，0x3D時為讀出操作。

2.4 定高測量模塊

四軸飛行器在飛行過程中，需要與地面保持好一定的距離，因此有必要使用超聲波測量飛機(jī)飛行的高度。如圖7所示，我們選用HC-SR04超聲波測距模塊完成飛行器高度的測量，以便實(shí)時調(diào)整旋翼轉(zhuǎn)速的大小，讓飛行器與地面保持在一定的高度。其中，GND引腳連接電氣地線，TRIG引腳連接主控制板提供觸發(fā)信號，ECHO引腳輸出響應(yīng)信號，VCC為超波模塊電源輸入線。圖8為HC-SR04超聲波測距模塊原理圖，該產(chǎn)品測距范圍為2cm至400cm，具有多達(dá)3mm的測距精度。主要由發(fā)射器、接收器及控制電路構(gòu)成。圖9為超HC-SR04的電路連接。

HC-SR04超聲波模塊工作方式的基本原理：1）給超聲波模塊接入電源和地；2）本文TRIG連接主控制板IO口，用來模擬時鐘信號輸入，每次給出的高電平信號不低于10us；3）ECHO端信號從低電平變成高電平，此時，模塊也會發(fā)送八個連續(xù)的40khz的方波信號，定時器開始計時；4）當(dāng)模塊接收到返回的超聲波時，ECHO端信號從高電平變成低電平，定時器停止計時。由此可得出往返的時間；5）所測的距離=（往返時間*聲速）/ 2（聲速為340米/秒）。HC-SR04時序圖如圖10所示。

3 總結(jié)

本文說明了四軸飛行器的電路硬件實(shí)行。偏重于飛行器的硬件安排與各個模塊元器件的選擇。運(yùn)用模塊化的設(shè)計方式，使得本系統(tǒng)具有出色的再開發(fā)性和外擴(kuò)性。選用STM32F103為主控制器，

具有高效的計算能力及多個外設(shè)接口，為四軸提供了一個強(qiáng)大的大腦；正向低壓降穩(wěn)壓器XC6206，為四軸供應(yīng)了一個可靠，強(qiáng)有力的動力保證；六軸陀螺儀MPU6050，羅盤HMC588L，氣壓計MS5611，和GPS SIRF3，保證飛行器穩(wěn)定飛行；預(yù)設(shè)許多接口，以便再次開發(fā)與拓展。

本文設(shè)計的四軸飛行器具有編程步驟容易、便利操縱，穩(wěn)固性好、拓展性強(qiáng)等優(yōu)勢。經(jīng)過實(shí)驗，成功完成四軸定高飛行，轉(zhuǎn)向，按路線飛行等功能。四軸飛行器的蓬勃發(fā)展，使得其被運(yùn)用于各種領(lǐng)域，例如戰(zhàn)地情報搜索、災(zāi)后救援、地勢考察、航模等，隨著自動控制、傳感器、機(jī)械、計算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，顯而易見，四軸飛行器將來的發(fā)展光景，不可限量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉杰.四軸飛行器的研究與設(shè)計[D]. 南京郵電大學(xué)，2013.

[2] 程學(xué)功. 四軸飛行器的設(shè)計與研究[D]. 杭州電子科技大學(xué)， 2012.

[3] 張祥.基于ARM的滾動磨損試驗機(jī)測控系統(tǒng)研究[D]. 南京航空航天大學(xué)，2014.

[4] 姜曉旭. 基于MEMS傳感器的動作捕捉技術(shù)的研究[D]. 西安理工大學(xué)，2004.

[5] 胡從坤.余澤宇.陳曦晨。 四旋翼飛行器控制系統(tǒng)研究[D]. 南昌航空大學(xué)軟件學(xué)院，2016.

[6] 楊延強(qiáng). 基于ARM和藍(lán)牙技術(shù)圖像傳輸系統(tǒng)研究[D]. 江蘇科技大學(xué)， 2013.

[7] 賴貴川.黃華偉. 基于MS5611-01BA01的高精度氣壓和溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計[D]. 四川理工學(xué)院理學(xué)院，2012.

[8] 白立群.李成鐵.周劍峰 基于STM32的飛行控制器系統(tǒng)設(shè)計[D]. 東北大學(xué)秦皇島分校，2013.