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仪器仪表与分析监测 2024年第2期基于STM32F427四旋翼无人机控制系统设计Design of Control System for Quadcopter UAV Based on STM32F427 胡海洋 王淑成 杨旭 常波（淮阴工学院电子信息工程学院，江苏淮安 223003）摘 要 为了实现无人机的平稳易操控飞行，设计了一种基于STM32F427VIT6为主控芯片的小型无人驾驶飞行器，其布局新颖结构精巧。系统主要由主控板、电调电机、桨叶、电源设置、MPU6050姿态控制传感器、MS5611气压计、LSM303D加速器磁罗盘和无线数传构成。此飞行器可将采集到的数据通过四元数、卡尔曼滤波后进行PID算法以及姿态解算，实现悬停、俯冲、翻转等功能。通过大量的试飞和调试，证明该无人机能够稳定飞行。关键词 四旋翼无人机；STM32F427；无人机控制系统中图分类号 X831 文献标识码 B基金项目：2022年江苏省大学生实践创新项目（202211049100Y）0 引言近年来，我国十分注重无人机产业方面的投入，特别是2015年以后，全球无人机市场规模进一步扩大，在激烈的竞争态势下，中国无人机行业得到了迅速发展，无人机技术得到了稳步提高1。四旋翼无人机所采用的 STM32F427 数据处理晶片能够收集传感器的数据，并完成状态和定位解算，具备丰富的线路端口，包括四路串口、SPI、I2C、ADC 端口，为用户提供更加便捷的服务。但由于四旋翼无人机通常具有欠推动强耦合系统的特点，性能较差，对飞行的控制难度比较大。本文介绍了四旋翼无人机的基本框架搭建和控制器软件总体设计，以及飞行器的控制算法，实现了无人机一系列动作，验证了实验的可行性。1 系统总体设计方案硬件系统包括 STM32F427 主控、电调电机、无线模块、电源、姿态传感器，它们共同构成了四旋翼无人机的空中系统，如图1 所示。当大型无人机升空时，位置传感器模块收集到飞机的状态和位置信息，并将这些数据传输至遥控模块，通过算法进行比较，从而实现对飞机的控制。通过计算出的控制量，电源模块驱动电子调速器、图1 硬件系统设计图-24电动机系统运行，从而确保大型无人机能够稳定地升空。2 硬件设计硬件系统采用一款 32位、主频高达 168 MHz的STM32F427芯片，配备MPU6050姿态控制传感器、三轴陀螺仪、MS5611 气压计、LSM303D 加速度计和磁罗盘，以满足实际应用需求2。2.1 MPU6050姿态控制传感器姿态控制模块采用 MPU6050 传感器，如图 2所示。其内部自带 7 路 16 bit 的 ADC 转换电路，ADC转换后的数据通过DMP处理后存储在先入先出存储器（First In First Out FIFO）中。单片机可通过读取和写入内部寄存器控制 MPU6050 传感器，并且能够通过 I2C 端口与第三方数字传感器或非惯性传感器实现连接，从而实现对MPU6050传感器的有效控制3。MPU6050传感器用于采集无人机的加速度变化量和角速度变化量，通过串口将数据传送给MCU。设置 MPU6050 传感器的加速度计量程为2 g，陀螺仪量程为2 000/s，传感器的采集速率为每次5 ms，通过定时器的中断来完成。滤波采用卡尔曼滤波算法，可由方程p_m=p_1+Q（1）kg=Pm/(Pm+R)（2）Xn=xm+kg (ResrcData-x_m)（3）Pn=(1-kg)P_m（4）设定噪声值，然后由公式计算得出最优估计值，最后得出最优值对应的 covariance，实现对 x、y、z三个轴的波形整定。利用四元数的原理，将飞行器的各项姿态数据转换为实时欧拉角。转换方程为：q=wxyzT（5）|q|2=w2+x2+y2+z2=1（6）w=cos()/2（7）x=sin()/2 cos()x（8）y=sin()/2 cos(y)（9）z=sin()/2 cos()z（10）式中，cos()x、cos(y)、cos()z是旋转轴在 x、y、z上的分量。通过四元数与欧拉角的转换公式得到实际的欧拉角参数值。2.2 MS5611气压计MS5611气压计电路原理图如图3所示，该气压计拥有24位精确的数字压力和温度值，能够根据用户的需求调整操作模式，从而大大提高转换速度，同时能有效降低电流消耗。此外，它还具有高分辨率的温度控制输入输出，无需外加感应器即可完成海拔计和气温计的操作。MS5611压力传感器具有极高的灵活性，能够与微控制器相连，而且通信协议简洁易懂。体积仅为5.0 mm3.0 mm1.0 mm，能够轻松地集成到移动设备中。由于传感器的敏图2 传感器模块电路图基于STM32F427四旋翼无人机控制系统设计胡海洋，等-25仪器仪表与分析监测 2024年第2期感性，在使用MS5611气压计时进行了遮光处理，以减少外部环境对无人机造成的影响。2.3 LSM303D加速度计和磁罗盘LSM303D 电路如图 4 所示。LSM303D 拥有三轴磁铁计和三轴加速度计，可根据使用者的需求，提供 1.3 Gauss8.1 Gauss七档不同的测试区域，即使在 20 Gauss以内的电磁环境条件下，也可保持一致的测试精度和敏感性。LSM303D 磁力计具有耗电量低、精确度高、线性度好，不需要环境温度补偿等显著优势，并具备自动检测控制功能，当控制寄存器A被置位时，芯片中的自测集成电路会形成一种规模约为地磁场体积的激励信号。LSM303D 还配备了一枚高性能加速计，仅使用 12 位 ADC 即可实现 1 mg 的精确测量。2.4 无线数传模块无线数传模块采用 APM 公司的 3DR Radio Telemetry，无线数传具有体积小、功耗低、数据率高、性能稳定、抗干扰能力强、通信距离远等特点4。该模块的适配电压为 3.7 V6.0 V，3DR无线数传模块有两个指示灯，分别为绿色和红色。当绿灯闪烁时，代表数传模块正在匹配中；若绿灯常亮，则代表匹配完成并连接成功。当红灯闪烁时，代表数传之间正在进行数据传输；若红灯常亮，则代表开启固件更新模式。3DR无线数传最大传输功率为 500 MW，可实现户外无阻挡 2 000 m 范围内主机和从机之间的数据传送，在空中的数据传输速率可达 250 kbps。再经由3DR无线数传之后，即可通过QGC地面站实现无人机规划路线等功能。3DR无线数传的主驱动器为 CP2102 芯片，该芯片可以将控制端传输过来的 USB 信号转换成 TTL 信号，其有 5 个引脚，分别为3V3、TXR、DXR、GND、+5V。3 软件设计3.1 控制器软件总体设计主程序流程如图 5 所示。无人机通过供电和遥控启动，通过无线设备控制飞行状态，主程序读取MPU6050姿态控制传感器数据，调整飞行姿态5。控制器姿态处理后，根据高度设定进行上升或下降。主程序利用 PID 内循环控制电机，调整航行姿势和发动机功率，实现精准操控。PID内循环使用外循环提供的角度信息校准电机转速。调整后，主程序接收遥控信号，执行相应动图3 MS5611电路原理图图4 LSM303D电路图-26作。遥控操作后，主程序再次读取MPU6050数据进行调整，结束飞行。3.2 PID控制算法PID（Proportional Integral Differential）控制算法是结合比例、积分、微分三种环节于一体的控制算法。通过测量投入的偏离值，并通过比率、积分和微分的参数关联调整输出功率，从而实现对系统的监控。其输出的信号为:u()t=KP e()t +1TI0te()t +TDde()tdt（11）通过拉普拉斯变换，能够获得模拟 PID 调节器的传输函式，其中包括：D()s =U()sE()s=Kp()1+1TIS+TDS（12）式中：Kp代表比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数，它们共同决定了结果的大小。4 结束语本系统是一种基于 STM32F427VIT6的四旋翼无人机控制器设计，此无人机通过卡尔曼滤波算法来完成滤波和姿态角度融合，并通过PID控制算法完成四旋翼无人机的悬停、俯冲等功能。综合来看，四旋翼无人机的成本低、起降条件容易满足。参考文献：1丁电宽,赵晨浩,贾天光.基于STM32的四旋翼无人机控制系统设计J.现代电子技术,2021,44(19):113-118.2宗意凯,曾宪阳,施子凡,等.基于STM32单片机四旋翼无人机自主飞行设计J.电子技术,2018,47(06):84-87.3何枫,杨凤年,何文德.基于STM32+MPU6050的小型四旋翼无人机设计J.电脑知识与技术,2020,16(19):213-214.4周健,王远航,黄创绵,等.基于STM32的四旋翼无人机在线监测系统研究J.电子产品可靠性与环境试验,2018,36(01):43-48.5尹艺臻,张立华,邢玉鹏.基于STM32F405RGT6四旋翼无人机设计J.电子技术,2018,47(08):51-53.图5 主程序流程图仪器仪表与分析监测 是经国家新闻出版总署期刊出版许可批准的仪器仪表类科技专业期刊。自 1985 年创刊以来，一直受到广大读者朋友的喜爱与支持。本刊以刊登实用性研究成果和创新性理论研究专著等文章为主，内容涵盖仪器仪表技术、自动控制技术、虚拟仪器技术、仿真技术、数据采集技术、信号处理技术、图像采集技术、传感器技术等。本刊为季刊，正文 48页，另有彩色插页，国内外公开发行。每本定价10.00元，全年40.00元。邮发代号 18-36。欢迎您在当地邮局或直接向本编辑部订阅。通信地址：北京市朝阳区团结湖北路2号仪器仪表与分析监测 编辑部邮 编：100026电 话：[phone]电子信箱：欢迎订阅 仪器仪表与分析监测基于STM32F427四旋翼无人机控制系统设计胡海洋，等-27