朱球輝

（中山市技師學(xué)院，廣東中山，528400）

多旋翼無人機(jī)的嵌入式自主飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究

朱球輝

（中山市技師學(xué)院，廣東中山，528400）

本文在分析研究中，以多旋翼無人機(jī)作為研究對(duì)象，按照多旋翼無人機(jī)所在實(shí)際操作過程中所具有的特征，對(duì)于嵌入式自主飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，讓多種類別多旋翼無人機(jī)在實(shí)際飛行過程中，能夠被嵌入式自主飛行控制系統(tǒng)所管理。

多旋翼無人機(jī)；嵌入式；自主飛行；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

無人機(jī)也被稱之為無人駕駛飛機(jī)，在實(shí)際操作過程中主要是通過無線電設(shè)備，對(duì)于并不需要飛行員的飛機(jī)飛行進(jìn)行控制。無人機(jī)的產(chǎn)生是由于戰(zhàn)爭(zhēng)的要求，無人機(jī)最開始推出的時(shí)間可以追溯到第一次世界大戰(zhàn)，英國人為了能夠在戰(zhàn)爭(zhēng)內(nèi)取得展現(xiàn)，首先開始對(duì)于無人機(jī)進(jìn)行研究分析，主要目的是向敵后方投擲炸彈。第一架無人機(jī)是在10年之后正式投入應(yīng)用的。伴隨著航空電子的快速發(fā)展，無人機(jī)研究得到了世界各國的廣泛關(guān)注，無人機(jī)研究進(jìn)入到了快速發(fā)展階段。

1 多旋翼無人機(jī)硬件設(shè)計(jì)

1.1 多旋翼無人機(jī)的特點(diǎn)

本文所研究的多旋翼無人機(jī)，主要表示旋翼飛行器屬于對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，整個(gè)無人機(jī)飛行主要是通過無刷電機(jī)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，每個(gè)旋翼之間在升力在發(fā)生差異之后，滿足無人機(jī)在飛行過程中所需要具備的各種需求。

現(xiàn)階段多旋翼無人機(jī)主要具有三種類別，分別是四旋翼、六旋翼與八旋翼，不同旋翼無人機(jī)雖然在旋翼個(gè)數(shù)上面存在一定差異，但是無人機(jī)所秉持的飛行原理全部都是相同的。無人機(jī)在實(shí)際飛行過程中，主要具有六個(gè)方向的自動(dòng)飛行，進(jìn)而滿足無人機(jī)在飛行過程中所需要進(jìn)行的三種運(yùn)行模式，分別是俯仰運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和偏航運(yùn)動(dòng)。

1.2 多旋翼無人機(jī)的性能指標(biāo)與總體控制計(jì)劃

正常情況下，在對(duì)于多旋翼無人機(jī)控制器設(shè)計(jì)過程中，需要設(shè)計(jì)三個(gè)控制器，分別是位置控制器、速度控制器與姿態(tài)控制器，與此同時(shí)還需要對(duì)于無人機(jī)在飛行過程中所具有的姿態(tài)角度進(jìn)行計(jì)算。這樣也就表示，無人機(jī)在設(shè)計(jì)過程中需要準(zhǔn)守以下指標(biāo)：首先，無人機(jī)飛行控制器在實(shí)際運(yùn)行過程中必須具備運(yùn)算性能，尤其在是對(duì)于無人機(jī)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算上面；其次，無人機(jī)飛行控制器所具有的接口資源應(yīng)該十分豐富，進(jìn)而保證不同型號(hào)無人飛行機(jī)對(duì)于飛行控制器的需求，其中最為主要的接口主要有三個(gè)，分別是通信接口、AD轉(zhuǎn)換口和PWM輸出；最后，無人機(jī)飛行器還需要對(duì)于部分硬件設(shè)施進(jìn)行添加或者是減少，通過跳冒方式，讓飛行控制器能夠在眾多類別的旋翼無人機(jī)上面應(yīng)用。

想要保證最后設(shè)計(jì)完畢的控制器具有以上性能，這就需要在設(shè)計(jì)過程中對(duì)于控制器進(jìn)行合理布局。所以，本文采取雙芯片的結(jié)構(gòu)，對(duì)于控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證控制器在完成有關(guān)計(jì)算任務(wù)過程中都兩個(gè)芯片能夠一同運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣兩個(gè)芯片所能夠承擔(dān)的負(fù)載顯著減少，運(yùn)算性能也就能夠得到顯著提高，接口資源也能夠得到顯著豐富，提高無人機(jī)控制器所具有的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 飛行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.3.1 電源模塊

在對(duì)于電源模塊設(shè)計(jì)過程中，需要保證電源模塊能夠?yàn)轱w行控制系統(tǒng)運(yùn)行提供針對(duì)性的電壓數(shù)值，進(jìn)而保證飛行控制器能夠穩(wěn)定運(yùn)行。飛行控制系統(tǒng)內(nèi)的芯片要是全部都能夠穩(wěn)定運(yùn)行，從理論層面而言所需要的功率應(yīng)該為3.6W，電流應(yīng)該在0.9A。電源模塊在設(shè)計(jì)過程中需要具有一定余量，電源模塊所能夠應(yīng)該的載荷應(yīng)該為5v，所能夠輸出的電流應(yīng)該超過1.2A。所以，本文在設(shè)計(jì)過程中，就應(yīng)用直流無刷電機(jī)，為控制系統(tǒng)運(yùn)行提供針對(duì)性電能。但是由于無人機(jī)控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中電流變化幅度較大，電壓所具有的穩(wěn)定性較低，這樣就需要對(duì)于電壓進(jìn)行隔離，提升電壓穩(wěn)定性。

1.3.2 處理器模塊

處理器模塊主要有三部分電路構(gòu)成，分別是雙芯片結(jié)構(gòu)電路、復(fù)位電路與JTAG電路。本文在對(duì)于多旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)處理器模塊設(shè)計(jì)及過程中，應(yīng)用的是型號(hào)為STM32F20VCT6處理器，該型號(hào)處理器所具有的資源十分豐富，同時(shí)自身的銷售價(jià)格較為低廉，可是說是一款性價(jià)比非常高的處理器，能夠滿足本文對(duì)于多旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)的全面需求。

2 多旋翼無人機(jī)的嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 軟件系統(tǒng)要求

多旋翼無人機(jī)的嵌入式軟件系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中主要作用就是操作者通過對(duì)于源代碼的編寫，將軟件語言落實(shí)落實(shí)到硬件系統(tǒng)之中，讓多旋翼無人機(jī)能夠完成有關(guān)操作。本文在對(duì)于多旋翼無人機(jī)的嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，主要將系統(tǒng)劃分為兩個(gè)部分，分別是主機(jī)系統(tǒng)與從機(jī)系統(tǒng)。其中主機(jī)系統(tǒng)主要作用就是完成對(duì)于數(shù)據(jù)采集、控制及通信等等操作，從機(jī)系統(tǒng)的主要作用就是完成算法與數(shù)據(jù)讀寫等等操作。

2.2 OS/II移植

2.2.1 軟件開發(fā)環(huán)境

在對(duì)于嵌入式軟件設(shè)計(jì)過程中，現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的主要有兩種開發(fā)環(huán)境，第一種就是IARworkbench，第二種就是ReaView MDK。本文在對(duì)于軟件設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，應(yīng)用的是第一種軟件開發(fā)環(huán)境，進(jìn)而完成對(duì)于軟件處理器編寫的設(shè)計(jì)。

2.2.2 OS/II移植

OS/II移植主要作用是保證處理器能夠與內(nèi)核相連接，完成內(nèi)核所下達(dá)的操作任務(wù)。在對(duì)于OS/II內(nèi)核代碼編寫過程中，主要應(yīng)用的編寫語言為c語言，只需要對(duì)于部分有關(guān)代碼進(jìn)行語言編寫，就能夠保證處理器能夠?qū)τ诰帉懻Z言進(jìn)行識(shí)讀。OS/II設(shè)計(jì)之前，就已經(jīng)對(duì)于OS/II所具有的移植特特征，所以O(shè)S/II移植在進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)上面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比實(shí)時(shí)性系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單。

OS/II移植是以硬件作為前提條件，這樣也就表示OS/II移植需要受到一定限制條件的控制。首先，設(shè)計(jì)人員在對(duì)于編譯器設(shè)計(jì)過程中，需要讓編譯器能夠重復(fù)性輸入。其次，處理器在實(shí)際運(yùn)行過程中，能夠進(jìn)行定時(shí)性中斷。最后，編譯器在實(shí)際運(yùn)行過程中，能夠通過c語言完成自身啟動(dòng)與關(guān)閉的操作。

處理器需要將以上的全部限制條件全部滿足，這樣才能夠?yàn)镺S/II移植奠定堅(jiān)實(shí)的條件基礎(chǔ)。OS/II軟件內(nèi)所具有的代碼區(qū)一共有四個(gè)，分別是移植、配置、ucos-ii、應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件內(nèi)的代碼區(qū)也就是人們所說的程序開發(fā)區(qū)域，在OS/II代碼區(qū)內(nèi)核心代碼為ucos，主要作用是完成對(duì)于移植任務(wù)的構(gòu)建，同時(shí)還能夠?qū)τ谌蝿?wù)進(jìn)行調(diào)節(jié)及刪除。

3 結(jié)論

近幾年，伴隨著自然災(zāi)害數(shù)量的增加，怎樣對(duì)于自然災(zāi)害進(jìn)行預(yù)防及檢測(cè)已經(jīng)得到了社會(huì)各界的高度關(guān)注。多旋翼無人機(jī)與傳統(tǒng)無人機(jī)類別相比較，在實(shí)際應(yīng)用中最為顯著的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，分別是垂直起落與空中懸浮。所以，多旋翼無人機(jī)特別適合應(yīng)用到空間范圍有限及危險(xiǎn)環(huán)境之下，對(duì)于有關(guān)任務(wù)進(jìn)行執(zhí)行。正是由于多旋翼無人機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中所具有的高效率與低危險(xiǎn)，推動(dòng)了多旋翼無人機(jī)的快速發(fā)展。本文在對(duì)于多旋翼無人機(jī)分析研究中，主要對(duì)于多旋翼無人機(jī)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，還存在一定不足，僅供參考。

[1]張垚,鮮斌,殷強(qiáng),劉洋,王福.基于ARM處理器的四旋翼無人機(jī)自主控制系統(tǒng)研究[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,09:753-760.

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[4]鮮斌,劉洋,張旭,曹美會(huì).基于視覺的小型四旋翼無人機(jī)自主飛行控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2015,09:58-63.

[5]李杰,齊曉慧,韓帥濤,劉星海.小型四旋翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國測(cè)試,2014,02:90-93.

Design of embedded autonomous flight control system for multi rotor UAV

Zhu Qiuhui
（Zhongshan Technician College，Zhongshan Guangdong，528400）

Based on the analysis of the study, the multi rotor UAV as the research object, according to the characteristics of the actual operation process without man-machine multi rotor in the design of the embedded autonomous flight control system, make various types of multi rotor UAV flying in the actual process, can be embedded autonomous flight control system management.

multi rotor UAV; embedded; autonomous flight; control system design