2017年第36卷第3期
传感器与微系统（Transducer and MicrosystemTechnologies）
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DOI:10.13873/J.10009787(2017)03011303
多数据融合的四轴飞行器硬件电路设计
高明，张培亮
（西安工业大学光电工程学院，陕西西安710021）
摘要：根据四轴飞行器的结构和飞行模式，设计了系统的总体硬件电路结构。硬件电路基于Cortex-M4 内核STM32F407系列ARM芯片。设计的外围电路包括无线通信模块、视频采集模块和GPS接收，发送模
块以及测量飞行姿态的各个传感器模块。通过实验验证了所设计硬件电路系统的可行性。关键词：四轴飞行器；全球定位系统定位；图像采集；姿态测量；STM32
中图分类号：V275
文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2017)03-0113-03
Design of quadrotor hardware circuit with multi-data fusion
GAOMing，ZHANGPei-liang
(School of Optoelectronic Engineering,Xi' an Technological University,Xi'an 710021,China)
Abstract: Hardware circuit structure of the system is designed based on structure and flight mode of Quadrotor The MCU of hardware circuit is based on Cortex-M4 STM32F4 series of ARM chips. The hardware circuit includes wireless communication module, video capture module and GPS receiving and transmitting module and each sensor modules which measure flight attitude. Feasibility of the designed hardware circuit system is validated by experiments.
Key Words: quadrotor; GPS positioning; image acquisition; attitude measurement; STM32
0引言
鉴于四轴飞行器的自身特点，增加图像采集模块，则能
实现远程对灾区信息的采集和获取，大大提高广减灾效果，提升了灾害现场勘查能力，避免了因重灾区域短时难以抵达、交通受阻而无法掌握具体灾情的“信息盲区"现象1-3]。全球定位系统（GPS)定位是无人飞行器实现自主导航和位置获取的重要环节，可以基于GPS定位信息，并按照一定的评价标准，寻找一条从起始状态到目标状态的最优路径[4]。
四轴飞行器是一个非线性多耦合的欠驱动系统，其控制问题一直以来都是科学研究者比较关注的问题15.6]。四轴飞行器是一个具有六自由度（位置与姿态）和4个控制输人（旋翼转速）的欠驱动系统，具有多变量、非线性、强合和干扰敏感的特性，使得飞行控制系统的设计变得非常困难[了。为此，本文对采集的姿态传感器数据进行融合，采用卡尔曼滤波算法来融合加速度和陀螺仪的数据，同时对图像信息和GPS信息也进行处理。对于位姿解算，本文采用四元数法并结合方向余弦矩阵完成要态解算，并以
解算的姿态角作为反馈完成四轴飞行器的飞行控制。收稿日期：2016-12-16
*基金项目：陕西省教育厅重点实验室科学研究计划项目（14JS034）
1原理分析
飞行器通过平衡2个螺旋桨产生的力来实现稳定的盘旋以及精确飞行8.9]。飞行器的输人转矩由无刷电机提供，通过调节各个带桨电机的转速，可以改变飞行器升力和推力的大小，实现飞行姿态与航向的控制。
四轴飞行器输人4个电机的转速，输出却是6个自由度方向的运动，故而属于欠驱动系统，具有高度耦合的动态特性，其直观地体现在飞行器一个螺旋桨转速发生改变的情况下，将产生至少3个自由度方向上的运动。控制电机转速的精度对四轴飞行器的稳定飞行具有重要的意义。
2硬件总体结构设计
硬件总体结构图如图1。微处理器模块选用ARMCor tex-M4内核的STM32F407ZGT6，它的时钟频率可以达到 168MHz，并且拥有IC总线接口、JTAG接口、SPI接口、AD 采集接口、多路PWM输出和多个串口，且该芯片集成FPU 和DSP指令，便于多样化传感器的挂接和复杂运算。此微控制器具有14个定时器，对于信号采集和PWM输出均能满足。