采用STM32設計的四軸飛行器飛控系統(tǒng)

1、引言

四軸飛行器是一種結構緊湊、飛行方式獨特的垂直起降式飛行器，與普通的飛行器相比具有結構簡單，故障率低和單位體積能夠產生更大升力等優(yōu)點，在軍事和民用多個領域都有廣闊的應用前景，非常適合在狹小空間內執(zhí)行任務。因此四旋翼飛行器具有廣闊的應用前景，吸引了眾多科研人員，成為國內外新的研究熱點。

本設計主要通過利用慣性測量單元(IMU)姿態(tài)獲取技術、PID電機控制算法、2.4G無線遙控通信技術和高速空心杯直流電機驅動技術來實現(xiàn)簡易的四軸方案。整個系統(tǒng)的設計包括飛控部分和遙控部分，飛控部分采用機架和控制核心部分一體設計增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，遙控部分采用模擬搖桿操作輸入使操作體驗極佳，兩部分之間的通信采用2.4G無線模塊保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。飛行控制板采用高速單片機STM32作為處理器，采用含有三軸陀螺儀、三軸加速度計的運動傳感器MPU6050作為慣性測量單元，通過2.4G無線模塊和遙控板進行通信，最終根據(jù)PID控制算法通過PWM方式驅動空心杯電機來達到遙控目標。

2、系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)硬件的設計主要分要遙控板和飛控板兩個部分，遙控板采用常見羊角把游戲手柄的外形設計，控制輸入采用四向搖桿，無線數(shù)據(jù)傳輸采用2.4G無線模塊。飛控板采用控制處理核心和機架一體的設計即處理器和電機都集成在同一個電路板上，采用常規(guī)尺寸能夠采用普通玩具的配件。系統(tǒng)軟件的設計同樣包括遙控板和飛控板兩部分的工作，遙控板軟件的設計主要包括ADC的采集和數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。飛控板的軟件的設計主要包括無線數(shù)據(jù)的接收，自身姿態(tài)的實時結算，電機PID增量的計算和電機的驅動。整個四軸飛行器系統(tǒng)包括人員操作遙控端和飛行器控制端，遙控端主控制器STM32通過ADC外設對搖桿數(shù)據(jù)進行采集，把采集到的數(shù)據(jù)通過2.4G無線通信模塊發(fā)送至飛控端。飛控板的主要工作就是通過無線模塊進行控制信號的接收，并且利用慣性測量單元獲得實時系統(tǒng)加速度和角速度原始數(shù)據(jù)，并且最終解算出當前的系統(tǒng)姿態(tài)，然后根據(jù)遙控板發(fā)送的目標姿態(tài)和當姿態(tài)差計算出PID電機增量，然后通過PWM驅動電機進行系統(tǒng)調整來實現(xiàn)飛行器的穩(wěn)定飛行。

3、四軸飛行器的硬件設計

2.1主控單元選擇

從成本和性能綜合考慮，飛控板和遙控板的主控單元都采用意法半導體公司的增強型高速單片機STM32F103作為主控的，STM32F103是基于的ARM 32位的Cortex-M3內核架構，穩(wěn)定工作頻率可達72MHz，是一個具有豐富資源、高速時鐘的精簡指令的微處理器。STM32F103擁有從64K或128K字節(jié)的閃存程序可選存儲器，高達20K字節(jié)的SRAM，2個12位模數(shù)轉換器多達16個輸入通道，7通道DMA控制器，多達80個快速I/O端口，串行單線調試(SWD)和JTAG接口調試模式，多達7個定時器，多達2個I2C接口(支持SMBus/PMBus)，多達3個USART接口(支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調制解調控制)，多達2個SPI接口(18M位/秒)，CAN接口(2.0B主動)，USB2.0全速接口。

2.2 飛控板電路設計

飛控板的核心設計是MPU6050測量傳感器、NRF2401無線模塊以及飛控板電機驅動等模塊的設計。飛控系統(tǒng)的慣性測量單元采用MPU6050作為測量傳感器，MPU6050的驅動方式采用IIC接口，時鐘引腳SCL連接到STM32的PB10，數(shù)據(jù)引腳連接到STM32的PB11引腳，數(shù)據(jù)中斷引腳連接到PB5，為了增強驅動能力在每個引腳上都加入了10K的上拉電阻。

相對于其他模塊電系統(tǒng)也是比較重要的部分，飛控系統(tǒng)采用3.7V高放電倍率鋰電池進行供電。主控芯片供電部分和IMU傳感器部分采用各自獨立的LDO進行供電，這樣確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和IMU傳感器數(shù)據(jù)采集的準確性。

飛控板與遙控板數(shù)據(jù)的通信同樣采用的是基于2.4G頻段的NRF2401模塊，確保了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。STM32的SPI1外設對2.4G模塊進行操作驅動，引腳的連接如下表1所示。

NRF2.4G為采用3.3V供電無線模塊，系統(tǒng)采用與單片機相同的電源網(wǎng)絡對其供電，同時加入0.1UF電容進行濾波確保模塊正常工作。

飛控板的驅動系統(tǒng)采用的是四個分布對稱十字交叉的高速空心杯電機，電機的驅動開關部分采用N溝道增強型場效應晶體管進行控制，通過修改STM32對應引腳上的PWM信號來進行開關MOS管實現(xiàn)電機運行開與關，從而實現(xiàn)電機運轉速度的調節(jié)。電機1、2、3、4分別采用STM32的定時器2的通道0、通道1、通道2和通道3的PWM進行控制。電機1的控制端連接PA0，電機2的控制端采用PA1，電機2的控制端采用PA2，電機3的控制端采用PA3控制。

2.3遙控板電路設計

遙控板主控單元通過SPI總線驅動2.4G無線模塊，通過8位并口驅動1602液晶顯示，通過ADC輸入引腳對搖桿和電池電量進行采集，通過引腳驅動三極管開關驅動蜂鳴器提示。遙控板的核心設計是搖桿模擬數(shù)據(jù)進行采集模塊、NRF2401無線模塊等設計。

采用STM32單片機ADC1的通道4、通道5、通道6和通道7進行搖桿模擬數(shù)據(jù)進行采集并轉換為數(shù)字量，分別連接到PA4、PA5、PA6和PA7引腳，并且加入濾波電容減少雜質信號的影響。

遙控板采用NRF2.4G模塊的驅動采用STM32的自帶外設SPI2進行驅動，各個功能引腳的連接如表2所示。

NRF2.4G模塊采用3.3V供電，在供電端口外加0.1UF濾波存儲電容確保無線系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4、四軸飛行器的軟件設計

四軸飛行器的軟件設計主要包括飛控板軟件的設計和遙控板軟件的設計。整體軟件在MDK環(huán)境下采用C語言編寫，采用ST-LINK仿真器對程序進行調試與下載。

3.1飛控板系統(tǒng)軟件設計

飛控程序的主要設計思想是開機對無線模塊的初始化、MPU6050的初始化、PWM電機初始化。隨后對整個系統(tǒng)IMU繼續(xù)零偏處理，隨后等待進入解鎖信息的傳入。飛控采用定時器中斷的方式，在中斷中進行對時間的處理，每次中斷計次標志就會自增，根據(jù)不同的中斷積累即不同時間的間隔分別處理優(yōu)先級不同的任務。

飛控系統(tǒng)每0.5毫秒中斷一次，每次中斷就會檢查一次無線模塊數(shù)據(jù)的接收，確保飛控系統(tǒng)的控制信息的實時性。每兩次中斷即1毫秒讀取一次IMU單元的數(shù)據(jù)，通過濾波算法獲得較為準確的系統(tǒng)加速度、角速度的原始數(shù)據(jù)。每四次中斷即2毫秒通過IMU的原始數(shù)據(jù)計算下當前飛控板系統(tǒng)的姿態(tài)，然后結合遙控端的目標姿態(tài)，根據(jù)兩者的差值通過PID控制算法進行對各個電機的調速控制。每200次中斷即100毫秒，飛控系統(tǒng)會采集一次電池電壓，然后把電池電壓發(fā)送給遙控板，用來高速操作人員當前電壓的大小。

MPU6050作為系統(tǒng)的慣性測量單元，是整個系統(tǒng)正常運行基礎。MPU6050的驅動總線為IIC方式，為了程序的方便性本系統(tǒng)選用PB10和PB11模擬IIC來驅動。IMU讀取出來的數(shù)據(jù)只是最簡單的加速度、陀螺儀角速度的原始數(shù)據(jù)，需要通過進一步的處理才能得到本系統(tǒng)想要的姿態(tài)角度。

根據(jù)處理過后的MPU數(shù)據(jù)來獲得當前的姿態(tài)，具體的姿態(tài)獲取理論上是根據(jù)各個角度的積分得到當前的系統(tǒng)姿態(tài)歐拉角。本系統(tǒng)的設計實現(xiàn)是采用四元數(shù)算法對MPU6050最濾波后的數(shù)據(jù)進行計算得到最終的歐拉角。

整個飛控系統(tǒng)的運行動作是通過調整飛控姿態(tài)來實現(xiàn)的，本系統(tǒng)設計在當前姿態(tài)的基礎上，根據(jù)接收到的遙控器的目標姿態(tài)對空心杯電機進行基于PID算法的PWM控制調速，從而實現(xiàn)飛控系統(tǒng)的各種基本運動。飛控板會對系統(tǒng)慣性測量單元傳感器的原始數(shù)據(jù)進行濾波，然后對濾波后的數(shù)據(jù)進行實時結算，最后根據(jù)遙控板發(fā)送來的目標信息進行計算出電機的控制增量，最后根據(jù)PID控制算法對電機進行控制輸出。

3.2遙控板系統(tǒng)軟件設計

遙控板的作用就是把操作人員的操作動作轉化成信號傳給飛行控制板，同時將一些控制信息和飛控板傳回來的信息進行實時的顯示和處理。飛控板搖桿數(shù)據(jù)的采集用到了STM32的ADC功能STM32F103xx增強型產品內嵌2個12位的模擬/數(shù)字轉換器(ADC)，每個ADC共用多達16個外部通道，可以實現(xiàn)單次或掃描轉換。而且STM32的ADC可以采用DMA通道，這樣可以進一步的節(jié)省硬件資源，加快系統(tǒng)實時性。采用SPI1驅動NRF無線模塊，進行與飛控板的數(shù)據(jù)通信。

本系統(tǒng)采用STM32的ADC1的通道4、通道5、通道6和通道7進行搖桿模擬數(shù)據(jù)進行采集，ADC和DMA的配置代碼如下：

ADC_Configuration(); //ADC 功能配置

DMA_Configuration(); //DMA 功能配置

下面是ADC和DMA的啟動和時能代碼如下：

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); //啟動 ADC1 轉換

DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE); //啟動 DMA 通道

采用STM32外設SPI1驅動NRF2.4G模塊，SPI初始化代碼如下：

Spi1_Init();

采用無線模塊的通道40進行通信，2401初始化函數(shù)如下：

Nrf24l01_Init(MODEL_RX2,40); //通道40

2.4G無線模塊NRF2401的接收函數(shù)如下：

Nrf_Check_Event(); //讀取NRF2401數(shù)據(jù)

通過2401將控制信號發(fā)送，發(fā)送函數(shù)如下：

NRF_TxPacket_AP(NRF24L01_TXDATA_RC,32); //將控制信號發(fā)給四軸

5、結論

本文描述了一個簡易四軸飛行器系統(tǒng)的設計實現(xiàn)，整個方案分為遙控控制板各飛行控制板兩部分，通過2.4G無線模塊進行控制通信，飛控系統(tǒng)采用IMU系統(tǒng)獲取姿態(tài)信息根據(jù)反饋控制算法進行電機控制從而實現(xiàn)飛行控制。本系統(tǒng)飛控板采用一體設計使得系統(tǒng)簡單、緊湊，遙控板采用搖桿輸入使系統(tǒng)控制體驗良好，最終實現(xiàn)飛行器的基本運動。實踐證明該四軸飛行器飛行穩(wěn)定、可靠，取得了較好效果。