朱球辉

（中山市技师学院，广东中山，528400）

多旋翼无人机的嵌入式自主飞行控制系统设计的研究

朱球辉

（中山市技师学院，广东中山，528400）

本文在分析研究中，以多旋翼无人机作为研究对象，按照多旋翼无人机所在实际操作过程中所具有的特征，对于嵌入式自主飞行控制系统进行设计研究，让多种类别多旋翼无人机在实际飞行过程中，能够被嵌入式自主飞行控制系统所管理。

多旋翼无人机；嵌入式；自主飞行；控制系统设计

0 引言

无人机也被称之为无人驾驶飞机，在实际操作过程中主要是通过无线电设备，对于并不需要飞行员的飞机飞行进行控制。无人机的产生是由于战争的要求，无人机最开始推出的时间可以追溯到第一次世界大战，英国人为了能够在战争内取得展现，首先开始对于无人机进行研究分析，主要目的是向敌后方投掷炸弹。第一架无人机是在10年之后正式投入应用的。伴随着航空电子的快速发展，无人机研究得到了世界各国的广泛关注，无人机研究进入到了快速发展阶段。

1 多旋翼无人机硬件设计

1.1 多旋翼无人机的特点

本文所研究的多旋翼无人机，主要表示旋翼飞行器属于对称的结构，整个无人机飞行主要是通过无刷电机旋翼转动产生驱动力，每个旋翼之间在升力在发生差异之后，满足无人机在飞行过程中所需要具备的各种需求。

现阶段多旋翼无人机主要具有三种类别，分别是四旋翼、六旋翼与八旋翼，不同旋翼无人机虽然在旋翼个数上面存在一定差异，但是无人机所秉持的飞行原理全部都是相同的。无人机在实际飞行过程中，主要具有六个方向的自动飞行，进而满足无人机在飞行过程中所需要进行的三种运行模式，分别是俯仰运动、滚转运动和偏航运动。

1.2 多旋翼无人机的性能指标与总体控制计划

正常情况下，在对于多旋翼无人机控制器设计过程中，需要设计三个控制器，分别是位置控制器、速度控制器与姿态控制器，与此同时还需要对于无人机在飞行过程中所具有的姿态角度进行计算。这样也就表示，无人机在设计过程中需要准守以下指标：首先，无人机飞行控制器在实际运行过程中必须具备运算性能，尤其在是对于无人机浮点数据计算上面；其次，无人机飞行控制器所具有的接口资源应该十分丰富，进而保证不同型号无人飞行机对于飞行控制器的需求，其中最为主要的接口主要有三个，分别是通信接口、AD转换口和PWM输出；最后，无人机飞行器还需要对于部分硬件设施进行添加或者是减少，通过跳冒方式，让飞行控制器能够在众多类别的旋翼无人机上面应用。

想要保证最后设计完毕的控制器具有以上性能，这就需要在设计过程中对于控制器进行合理布局。所以，本文采取双芯片的结构，对于控制器进行设计，保证控制器在完成有关计算任务过程中都两个芯片能够一同运转，这样两个芯片所能够承担的负载显著减少，运算性能也就能够得到显著提高，接口资源也能够得到显著丰富，提高无人机控制器所具有的经济效益。

1.3 飞行控制系统的硬件设计

1.3.1 电源模块

在对于电源模块设计过程中，需要保证电源模块能够为飞行控制系统运行提供针对性的电压数值，进而保证飞行控制器能够稳定运行。飞行控制系统内的芯片要是全部都能够稳定运行，从理论层面而言所需要的功率应该为3.6W，电流应该在0.9A。电源模块在设计过程中需要具有一定余量，电源模块所能够应该的载荷应该为5v，所能够输出的电流应该超过1.2A。所以，本文在设计过程中，就应用直流无刷电机，为控制系统运行提供针对性电能。但是由于无人机控制系统在实际运行过程中电流变化幅度较大，电压所具有的稳定性较低，这样就需要对于电压进行隔离，提升电压稳定性。

1.3.2 处理器模块

处理器模块主要有三部分电路构成，分别是双芯片结构电路、复位电路与JTAG电路。本文在对于多旋翼无人机控制系统处理器模块设计及过程中，应用的是型号为STM32F20VCT6处理器，该型号处理器所具有的资源十分丰富，同时自身的销售价格较为低廉，可是说是一款性价比非常高的处理器，能够满足本文对于多旋翼无人机控制系统的全面需求。

2 多旋翼无人机的嵌入式软件系统设计

2.1 软件系统要求

多旋翼无人机的嵌入式软件系统在实际应用过程中主要作用就是操作者通过对于源代码的编写，将软件语言落实落实到硬件系统之中，让多旋翼无人机能够完成有关操作。本文在对于多旋翼无人机的嵌入式软件系统设计过程中，主要将系统划分为两个部分，分别是主机系统与从机系统。其中主机系统主要作用就是完成对于数据采集、控制及通信等等操作，从机系统的主要作用就是完成算法与数据读写等等操作。

2.2 OS/II移植

2.2.1 软件开发环境

在对于嵌入式软件设计过程中，现阶段应用最为广泛的主要有两种开发环境，第一种就是IARworkbench，第二种就是ReaView MDK。本文在对于软件设计开发过程中，应用的是第一种软件开发环境，进而完成对于软件处理器编写的设计。

2.2.2 OS/II移植

OS/II移植主要作用是保证处理器能够与内核相连接，完成内核所下达的操作任务。在对于OS/II内核代码编写过程中，主要应用的编写语言为c语言，只需要对于部分有关代码进行语言编写，就能够保证处理器能够对于编写语言进行识读。OS/II设计之前，就已经对于OS/II所具有的移植特特征，所以OS/II移植在进行嵌入式设计上面要远远比实时性系统更加简单。

OS/II移植是以硬件作为前提条件，这样也就表示OS/II移植需要受到一定限制条件的控制。首先，设计人员在对于编译器设计过程中，需要让编译器能够重复性输入。其次，处理器在实际运行过程中，能够进行定时性中断。最后，编译器在实际运行过程中，能够通过c语言完成自身启动与关闭的操作。

处理器需要将以上的全部限制条件全部满足，这样才能够为OS/II移植奠定坚实的条件基础。OS/II软件内所具有的代码区一共有四个，分别是移植、配置、ucos-ii、应用软件。应用软件内的代码区也就是人们所说的程序开发区域，在OS/II代码区内核心代码为ucos，主要作用是完成对于移植任务的构建，同时还能够对于任务进行调节及删除。

3 结论

近几年，伴随着自然灾害数量的增加，怎样对于自然灾害进行预防及检测已经得到了社会各界的高度关注。多旋翼无人机与传统无人机类别相比较，在实际应用中最为显著的优势主要表现在两个方面，分别是垂直起落与空中悬浮。所以，多旋翼无人机特别适合应用到空间范围有限及危险环境之下，对于有关任务进行执行。正是由于多旋翼无人机在实际应用过程中所具有的高效率与低危险，推动了多旋翼无人机的快速发展。本文在对于多旋翼无人机分析研究中，主要对于多旋翼无人机控制器进行设计，还存在一定不足，仅供参考。

[1]张垚,鲜斌,殷强,刘洋,王福.基于ARM处理器的四旋翼无人机自主控制系统研究[J].中国科学技术大学学报,2012,09:753-760.

[2]谢龙,韩文波.四旋翼无人机飞行控制系统设计研究[J].光电技术应用,2015,01:48-53.

[3]曹美会,鲜斌,张旭,文曦.基于视觉的四旋翼无人机自主定位与控制系统[J].信息与控制,2015,02:190-196+202.

[4]鲜斌,刘洋,张旭,曹美会.基于视觉的小型四旋翼无人机自主飞行控制[J].机械工程学报,2015,09:58-63.

[5]李杰,齐晓慧,韩帅涛,刘星海.小型四旋翼无人机飞行控制系统设计与实现[J].中国测试,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