摘要：随着我国经济建设的飞速发展，科学技术突飞猛进的飞速发展也是有目共睹的，本文分析了基于双STM32芯片控制系统的具体设计方案，主从控制器为两个STM32F107VCT6芯片，数据通信经过高速SPI接口，保证了数据控制的实时性。同时，本文合并介绍了系统的硬件设计方案，双STM32多旋翼无人机控制系统的设计优良，可以为后续复杂的运算提供更多可行的操作平台，提高了系统的运行功能，以期为此后无人机控制系统的具体设计提供更多的借鉴依据。
关键词：双STM32；多旋翼；无人机；控制系统；设计
引言
在科学技术不断发达的进程中，多旋翼无人机自身具有的气动结构布局逐渐完善，飞控技术也得到较大进展，在无人机飞行控制的时候，关键是无人机控制的相关设计，也就是控制律。无人机飞行轨迹控制和姿态控制属于无人机飞控系统的两个方面，只有加强控制系统才可以促使多旋翼无人机飞行轨迹得到有效控制，因此也可以充分说明姿态控制律设计是轨迹规划的主要基础。飞控系统是多旋翼无人机的核心内容，而姿态控制系统则属于飞控系统的核心，因此多旋翼无人机飞行姿态控制律在设计的情况下，这也就成为关乎其控制结果的重要内容。在新技术发展的基础上所出现的新控制理论和控制算法，新理论可以比较轻易的解决以往多旋翼无人机设计方面所具有的技术难题，有效解决以往固定翼无人机飞行控制理论问题。
1多旋翼无人机的特点
多旋翼无人机主要指的是对称结构的旋翼飞行器，驱动力为无刷电机旋翼产生的升力，主要依靠旋翼不同的升力保持不同的飞行姿态。四旋翼、六旋翼以及八旋翼均属于多旋翼无人机的样式，虽然旋翼个数各不相同，但其具备相同的飞行原理。在实际飞行过程中，无人机围绕X、Y、Z三个方向进行转动与移动，分别具备俯仰运动、偏航运动以及滚转运动的方式。以四旋翼无人机为例，分析其运动原理。四旋翼无人机相隔旋翼的旋转方向相同，但相邻旋翼的旋转方向相反，可以在飞行时抵消电机的反转力矩，避免出现悬浮自转问题，从而产生偏航运动。一是俯仰运动，飞机围绕Y轴进行转动，通过电机之间转速产生的差值改变轴心力矩，确保机体偏向力矩更大的一边，进而产生俯仰运动；二是滚动运动，机体围绕X轴运动，运动原理类似于俯仰运动，只是改变了电机的旋转速度，可以确保机架进行滚转运动；三是偏航运动，机体围绕Z轴转动，每组电机转速同时增加或同时减少，此时电机的反转力矩得不到相互抵消，以致机体产生偏航运动。
2双STM32多旋翼无人机任务需求分析
根据双STM32多旋翼无人机飞控系统的要求指标，提出了飞控系统具体的设计要求：（1）飞行控制处理器飞行控制处理器需要对传感数据进行收集并处理，对控制律进行运算，保持与地面站之间通信畅通。飞行控制处理器只有缩短调节电机转速的指令周期，才能更好的发挥控制性能。由于飞行控制处理器面临的任务众多，所以要求飞控处理器处理速度快、计算能力强。飞控处理器必须快速对传感器数据进行读取，第一时间与无线通信设备进行连接，实现与地面站之间的通信，另外飞控处理器必须具备存储空间大、低功耗、体积小等特点。（2）传感器传感器需要选择精度较高的传感器以及通信距离较远的无线通信设备，满足飞控系统的性能指标，确保传感器使用简单、通信接口通用。（3）软件开发多旋翼无人机的飞控软件系统要有很强的可靠性与稳定性，具备通信链路异常状况下的紧急处理，具备相应的备份程序，避免无人机在飞行过程中发生故障，另外地面站要具备故障报警功能。飞行控制系统的采样频率不易过小以免出现控制输出调节量滞后造成严重后果。
3双STM32多旋翼无人机控制系统设计
3.1双STM32多旋翼无人机硬件系统设计
硬件系统的设计任务是能够设计得到集各种传感器和控制器为一体的控制电路板，电路板上包含着电源模块和控制方式选择电路及输入信号采集通道、接口电路、传感器信号转换电路、输出通道等。其中电源模块为电路板提供比较稳定的电力输入，使得各个元器件能够保持正常运行，控制方式选择电路的时候需要根据安全可靠的要求，促使控制方式在硬件电路的基础上选择遥控和程序控制方式。输入信号采集通道主要是获取遥控器发送的PWM信号，而接口电路则主要是串行数据通讯口，传感器信号转换电路包含着模拟端输入电路与模数转换电路等，输出通道多数情况下是用于输出控制舵机的PWM信号中。在设计硬件电路的时候需要严格遵守工程化设计流程，硬件系统设计的时候需要具备前瞻性的特点，不仅要满足当前的性能要求，也要促使其之后的扩展及不断完善提供一定空间，元器件选型的时候也要考虑其性能及功耗等方面问题，争取在满足系统性能要求的基础上降低功耗。
3双STM32多旋翼无人机软件系统设计
多旋翼无人机控制软件系统主要作用在于操作者通过对于源代码的编写，将软件语言落实到硬件系统中，使无人机完成相应操作。在对软件系统进行设计过程中，要划分为主机系统与从机系统，由主机系统来完成数据的采集、控制以及通信等操作，由从机系统来完成数据读写与算法。（1）OS/II移植。OS/II移植的主要作用在于确保处理器与内核之间相连接，从而完成内核所下达的任务。在对OS/II内核代码的编写过程中，主要应用C语言对部分有关代码进行编写，确保处理器能够对编写语言进行识别。OS/II移植主要是以硬件作为前提条件，所以会受到一定条件的限制，所以在对编译器设计的过程中，必须确保编译器能够重复性输入。另外，处理器在运行的过程中要能够定时性中断，通过C语言来完成自身的启动与关闭操作。在软件开发过程中，处理器要满足全部限制条件，为OS/II移植奠定基础。（2）姿态控制。姿态控制是多旋翼无人机飞控系统中的核心技术，通过姿态控制来调整外回路轨迹，一般情况下通过PID和IB控制来实现姿态的调整，PID控制是对期望的角速度值进行计算从而完成对航姿的控制。在系统正常状态下，这两种控制手段基本没有差别，但是一旦系统出现故障，只能通过IB控制来确保飞行姿态的稳定性，IB控制主要是对控制所需的各项参数进行掌握，根据控制器的表达状况来对输出进行控制。（3）自动返航控制。通过自动返航软件系统，能够实现多旋翼无人机在GPS的辅助下降落到起飞点，一般情况下，无人机的工作环境比较复杂，工作性质存在一定的不可预知性，所以必须对返航策略进行设定，通过遥控器对返航策略进行激活，实现无人机沿设定的路线进行返航。
结语
本文针对新型双芯片多旋翼无人飞行器设计了相关的飞行方案，由硬件与软件等两个方面指出了系统的实现流程，在从机与主机两个方面确定了控制器的使用类型。通过实验结果可以看出，此系统的稳定性良好，处理速度很快，可以有效完成数据的运输工作，真正实现了无人机的自主飞行。
参考文献
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