四轴飞行器自动巡航系统

西安工业大学 樊佳瑞 胡心蕊 李 杨 陈泾源

四轴飞行器自动巡航系统

西安工业大学 樊佳瑞 胡心蕊 李 杨 陈泾源

本项目主要研究飞行器自主巡航系统，装载此系统后的模型直升机、四轴飞行器、多轴飞行器将会拥有空间定位、低空巡航等功能。它由STM32F407主控模块、GPS模块、气压计模块和磁力传感器模块构成。主控模块将从GPS模 块获得无人机当前坐标信息，从气压计模块得到当前的飞行高度，从磁力传感器模块获得飞行器的实际角度，最后通过算法最终控制飞行器飞到目标空域，实现自动巡航。

STM32F407单片机；GPS；气压计；磁力传感器；无线电遥控

0.引言

四轴飞行器也称四旋翼直升机，通过电力驱动，遥控指挥其飞行的一种飞行器。四个螺旋桨对称分布在机体的前后左右，并且处于同一高度平面。四个螺旋桨形状大小相同，四个电机位于飞行器的支架末端，支架中间位置可安放电池，控制器及其他设备。四旋翼飞行器可实现垂直，俯仰，滚转，偏航，前后及侧向运动，与常规飞行器相比，结构更加稳定，能获得比普通飞行器更大的上升力，便于控制，工作效率大大提高。具有自动巡航的四旋翼飞行器在军事和生活方面应用广泛，例如无人机侦察、制导、空中打击、自动化武器、航拍航测、高压线巡航、治安防爆、地质勘探、林业部门防火、抢险救灾、国土资源管理、生态环境保护、城镇规划与市政管理等。

1.系统总体方案设计

整个系统由PC机、航模遥控器、和四轴飞行器组成。研究人员通过PC机上的地面站软件规划巡航路线，并将巡航路径数据下载到自主巡航控制模块。飞行器在巡航过程中遇到难以处置问题时，可以切换到遥控模式以免发生危险。四轴飞行器使用11.1V的锂电池进行供电，从GPS模块和气压计模块得到飞行器的具体坐标及飞行高度，通过3DR模块进行数据的传输,保证了飞行器稳定的数据传输，并将数据显示在PC机上的地面站监控软件上，这样便可实现了人机交互的时效性和准确性。四轴飞行器的控制系统由STM32F407主控模块、GPS模块、气压计模块、磁力传感器模块、控制选择器和APM飞控构成，主控模块将从GPS模块、气压计模块和磁力传感器模块获得无人机当前坐标信息，然后通过控制算法将控制信号传递到APM飞控，最终实现飞行器的自主巡航。

以下是功能框架图：

图1 系统原理框图

2.系统的硬件设计

2.1 自动飞控系统

自主飞控系统功能是在无人操控的状态下，控制飞行器在预设的坐标点之间巡航。要完成这个功能就需要多个模块的互相配合，才能完成给定的任务。系统采用高精度GPS模块通过串口获取经纬度数据，在巡航过程中系统需要不断调整飞行姿态，所以利用气压计采集飞行器的飞行高度，用磁力传感器获得飞行器的偏航角，这两个模块都是采用I2C驱动程序与主控芯片进行通信，以下是自动飞控系统的硬件框图：

图2 系统硬件框图

2.2 STM32F407主控模块

因为控制芯要计算偏航角并进行PID控制，所以对主控芯片的运行速度要求比较高，通过查询资料最终选择STM32F407为主控芯片。STM32F407系列基于最新的ARM Cortex M4内核，在现有出色的STM32微控制器产品组合中新增了信号处理功能，并提高了运行速度；STM32F405x集成了定时器、3个ADC、2个DAC、串行接口、外存接口、实时时钟、CRC计算单元和模拟真随机数发生器在内的整套先进外设。

图3 选择控制器硬件电路

图4 GPS模块硬件电路

2.3 控制选择器

控制选择器由CD4053芯片、主控模块以及必须元器件构成。遥控器产生开关信号，通过接收机产生PWM信号并传输到主控模块，单片机对PWM信号进行检测。通过对PWM信号高电平的检测，得到PWM信号的占空比。当占空比大于0.90时单片机输出高电平，选通CD4053芯片的x通道关闭y通道，从而实现STM32F407核心控制器对四轴飞行器的控制；当占空比小于0.5时单片机输出低电平，选通CD4053芯片的y通道关闭x通道，从而实现遥控器对四轴飞行器的控制（见图3）。

2.4 GPS模块

四轴飞行器实现自主巡航需要高精度的GPS模块提供经纬度数据，在考察了市面上的定位芯片后，我们选用的是NEO-7M GPS模块，它是一个低功耗主芯片的超小外型GPS接收模组，该产品采用了新一代U-blox芯片，超高灵敏度，具备全方位功能，能满足专业定位的严格要求，串口输出数据用户使用方便，而且成本较低（见图4）。

2.5 气压计模块

气压计模块用来测量飞行器的高度，我们选用的是MS5611-o1BA气压传感器，它是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和I²C总线接口的新一代高分辨率气压传感器，分辨率可达到10cm，该传感器模块包括一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的24位Σ模数转换器，具有高稳定性以及非常低的压力信号滞后。

图5 气压计硬件电路

图6

3.系统的软件设计

3.1 偏航角计算理论方法

如图6所示以A点为参考点计算B点的方位角，假设A点经纬度坐标为(Aw,Aj) , B点经纬度坐标为(Bw,Bj)。A,B,C表示球面上的三个点及球面上“弧线”在该点处所夹的角。a,b,c表示A,B,C三点的对“弧”两端点与地心连线所夹的角。

首先使用三面角余弦公式：

将两点的经纬度数据带入得：

由三角函数得：

地球近似一个球体，所以采用用球面正弦公式：

将已知条件带入化简得：

即得偏航角：

3.2 STM32软件流程图

智能控制系统的软件是整个系统中最重要的部分，也是最难的部分。系统在接受到地面站发送的坐标信息后进行存储，并用方向余弦算法计算出当前位置到目标点的偏航角，自动巡航控制器将控制四轴飞行器起飞，不断调整四轴飞行器的飞行高度和偏航角，当飞行器的飞行高度达到预设值高度，实际偏航角等于计算的理论值时，飞行器开始飞向目标航点，在飞向目标航点的过程中，控制器将会不断执行上述过程调整飞行器姿态，这样即使在有风力干扰时飞行器也会自行修正航向，大大提高了自主巡航系统的抗干扰性。以下是系统的软件流程图：

图7 STM32F407软件流程图

4.测试结果

以下是我们对四轴飞行器自主巡航系统的测试结果：

目标航点坐标飞行器降落点坐标偏差量34.3841040 N 108.9831048 E 34.3841192 N 108.9831367 E 1.2m 34.3853099 N 108.9837671 E 34.3853461 N 108.9837326 E 0.9m 34.3852763 N 108.9831795 E 34.3852895 N 108.9831467 E 1.4m 34.3841509 N 108.9836924 E 34.3841316 N 108.9836593 E 1.0m 34.3846871 N 108.9834092 E 34.3846612 N 108.9834398 E 0.8m

5.总结

本文说明了四轴飞行器自主巡航系统的软硬件实现方案。运用模块化的硬件电路设计方式，使得本系统具有出色的再开发性和外扩性。选用STM32F407为主控制器，具有高效的计算能力及多个外设接口，为四轴提供了一个强大的大脑，罗盘HMC588L，气压计MS5611，和NEO-7M GPS，保证飞行器稳定飞行；预设许多接口，以便再次开发与拓展。本文设计的四轴飞行器具有编程步骤容易、便利操纵，稳固性好、拓展性强等优势。经过实验，成功完成四轴飞行器固定高度下的自主巡航。

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樊佳瑞（1996—），男，甘肃宁县人，西安工业大学电子信息工程学院本科在读，主要从事嵌入式系统研究。