【文章推荐】航天时代飞鸿周志广高级工程师：基于STM32F4与FreeRTOS的无人机飞行控制系统

文摘科技 2024-10-25 09:00 陕西

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基于STM32F4与FreeRTOS的无人机飞行控制系统

文章亮点：飞行控制系统多以高性能CPU为处理器和Vxworks为设计内核，存在成本高、体积大、内核源码不公开等问题，因此设计一款低成本、高可靠性的小型无人机飞行控制系统。基于STM32F4芯片开发一套由微型控制器、各种传感器和执行机构构成的飞行控制硬件系统，实现对无人机的姿态和舵机位置的控制；引入源码公开的FreeRTOS嵌入式实时系统作为软件平台开发飞行控制软件，实现飞行控制、自主导航、飞行管理等功能；通过固定翼航模的飞行试验对该飞行控制系统进行验证。结果表明：该系统具有良好的稳定性、实时性，控制精度高。

研究背景：随着航空电子技术的发展，无人机越来越受关注，作为无人机系统的控制核心，国内外对飞行控制系统的研发也逐渐深入。无人机飞行控制硬件架构的发展经历了从DSP到MCU+FPGA、SOPC等发展阶段。Fuller等基于FPGA架构设计飞行控制计算机用于高速运算和数据通信；Park等基于PowerPC处理器进行智能无人机的飞行控制计算机开发；张小林基于PC104总线体系结构设计飞行控制系统；方传中等基于PC104总线进行某无人机飞行控制系统的数据采集。虽然上述设计方案中处理器功能强大、可靠性高、开放性好，但设计过程复杂、开发周期长、工作量大。

运行在飞行控制计算机的飞行控制软件开发通常基于嵌入式操作系统VxWorks平台。Murray等基于VxWorks操作系统开发了X-38太空救生船的控制系统；施晓颖等基于Vxworks操作系统构建无人直升机机载飞行控制软件系统；张朋等开发了一套基于VxWorks实时操作系统的小型无人机飞行控制软件。然而Vxworks系统价格昂贵，没有完全公开源码，在软件测试取证方面存在困难。

STM32F4系列处理器是一种基于Cortex-M4系列ARM内核的微型控制器，外设资源丰富，支持实时多任务处理，功耗低；FreeRTOS是一个完全免费的多任务实时操作系统，源码公开、可移植、可裁剪、调度策略灵活，方便移植到STM32F4处理器中。FreeRTOS操作系统内核占用内存空间小，避免了STM32系列处理器内存空间小的缺点。

研究展望：1）本文设计的基于STM32F4与FreeRTOS的无人机飞行控制系统，具有开发成本低、可移植性强等优点，提高了无人机飞行控制技术的自主性。

2）为了提高飞行控制系统的安全性，还需要增加对FreeRTOS操作系统内存分配、堆栈溢出等方面的安全保护检测。

后续研究可以完善飞行控制软件架构，增加I/O中间件层，通过一套Linux/Posix风格的open（）、read（）、write（）、ioctl（）类型的标准接口来统一访问底层驱动和文件系统。

引用格式：周志广, 许孟孟, 石梅林, 等. 基于STM32F4与FreeRTOS的无人机飞行控制系统[J]. 航空工程进展, 2024, 15(4): 93-99. ZHOU Zhiguang, XU Mengmeng, SHI Meilin, et al. UAV flight control system based on STM32F4 and FreeRTOS[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2024, 15(4): 93-99. (in Chinese)

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