选用STM32规划的四轴飞行器飞控体系

1、导言

四轴飞翔器是一种结构紧凑、飞翔方法共同的笔直起降式飞翔器，与一般的飞翔器比较具有结构简略，故障率低和单位体积能够发生更大升力等长处，在军事和民用多个范畴都有宽广的使用远景，十分适合在狭小空间内执行使命。因而四旋翼飞翔器具有宽广的使用远景，招引了很多科研人员，成为国内外新的研讨热门。

本规划首要经过使用惯性丈量单元(IMU)姿势获取技能、PID电机操控算法、2.4G无线遥控通讯技能和高速空心杯直流电机驱动技能来完成简易的四轴计划。整个体系的规划包含飞控部分和遥控部分，飞控部分选用机架和操控中心部分一体规划添加体系安稳性，遥控部分选用模仿摇杆操作输入使操作体会极佳，两部分之间的通讯选用2.4G无线模块保证数据安稳传输。飞翔操控板选用高速单片机STM32作为处理器，选用含有三轴陀螺仪、三轴加速度计的运动传感器MPU6050作为惯性丈量单元，经过2.4G无线模块和遥控板进行通讯，终究依据PID操控算法经过PWM方法驱动空心杯电机来到达遥控方针。

2、体系总体规划

体系硬件的规划首要分要遥控板和飞控板两个部分，遥控板选用常见羊角把游戏手柄的外形规划，操控输入选用四向摇杆，无线数据传输选用2.4G无线模块。飞控板选用操控处理中心和机架一体的规划即处理器和电机都集成在同一个电路板上，选用惯例尺度能够选用一般玩具的配件。体系软件的规划相同包含遥控板和飞控板两部分的作业，遥控板软件的规划首要包含ADC的收集和数据的无线发送。飞控板的软件的规划首要包含无线数据的接纳，本身姿势的实时结算，电机PID增量的核算和电机的驱动。整个四轴飞翔器体系包含人员操作遥控端和飞翔器操控端，遥控端主操控器STM32经过ADC外设对摇杆数据进行收集，把收集到的数据经过2.4G无线通讯模块发送至飞控端。飞控板的首要作业便是经过无线模块进行操控信号的接纳，并且使用惯性丈量单元取得实时体系加速度和角速度原始数据，并且终究解算出当时的体系姿势，然后依据遥控板发送的方针姿势和当姿势差核算出PID电机增量，然后经过PWM驱动电机进行体系调整来完成飞翔器的安稳飞翔。

3、四轴飞翔器的硬件规划

2.1主控单元挑选

从本钱和功用归纳考虑，飞控板和遥控板的主控单元都选意图法半导体公司的增强型高速单片机STM32F103作为主控的，STM32F103是依据的ARM 32位的Cortex-M3内核架构，安稳作业频率可达72MHz，是一个具有丰厚资源、高速时钟的精简指令的微处理器。STM32F103具有从64K或128K字节的闪存程序可选存储器，高达20K字节的SRAM，2个12位模数转化器多达16个输入通道，7通道DMA操控器，多达80个快速I/O端口，串行单线调试(SWD)和JTAG接口调试形式，多达7个定时器，多达2个I2C接口(支撑SMBus/PMBus)，多达3个USART接口(支撑ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调操控)，多达2个SPI接口(18M位/秒)，CAN接口(2.0B自动)，USB2.0全速接口。

2.2 飞控板电路规划

飞控板的中心规划是MPU6050丈量传感器、NRF2401无线模块以及飞控板电机驱动等模块的规划。飞控体系的惯性丈量单元选用MPU6050作为丈量传感器，MPU6050的驱动方法选用IIC接口，时钟引脚SCL衔接到STM32的PB10，数据引脚衔接到STM32的PB11引脚，数据中止引脚衔接到PB5，为了增强驱动才干在每个引脚上都参加了10K的上拉电阻。

相对于其他模块电体系也是比较重要的部分，飞控体系选用3.7V高放电倍率锂电池进行供电。主控芯片供电部分和IMU传感器部分选用各自独立的LDO进行供电，这样保证了体系的安稳性和IMU传感器数据收集的精确性。

飞控板与遥控板数据的通讯相同选用的是依据2.4G频段的NRF2401模块，保证了数据的安稳传输。STM32的SPI1外设对2.4G模块进行操作驱动，引脚的衔接如下表1所示。

NRF2.4G为选用3.3V供电无线模块，体系选用与单片机相同的电源网络对其供电，一起参加0.1UF电容进行滤波保证模块正常作业。

飞控板的驱动体系选用的是四个散布对称十字穿插的高速空心杯电机，电机的驱动开关部分选用N沟道增强型场效应晶体管进行操控，经过修正STM32对应引脚上的PWM信号来进行开关MOS管完成电机工作开与关，然后完成电机工作速度的调理。电机1、2、3、4别离选用STM32的定时器2的通道0、通道1、通道2和通道3的PWM进行操控。电机1的操控端衔接PA0，电机2的操控端选用PA1，电机2的操控端选用PA2，电机3的操控端选用PA3操控。

2.3遥控板电路规划

遥控板主控单元经过SPI总线驱动2.4G无线模块，经过8位并口驱动1602液晶显现，经过ADC输入引脚对摇杆和电池电量进行收集，经过引脚驱动三极管开关驱动蜂鸣器提示。遥控板的中心规划是摇杆模仿数据进行收集模块、NRF2401无线模块等规划。

选用STM32单片机ADC1的通道4、通道5、通道6和通道7进行摇杆模仿数据进行收集并转化为数字量，别离衔接到PA4、PA5、PA6和PA7引脚，并且参加滤波电容削减杂质信号的影响。

遥控板选用NRF2.4G模块的驱动选用STM32的自带外设SPI2进行驱动，各个功用引脚的衔接如表2所示。

NRF2.4G模块选用3.3V供电，在供电端口外加0.1UF滤波存储电容保证无线体系的安稳性。

4、四轴飞翔器的软件规划

四轴飞翔器的软件规划首要包含飞控板软件的规划和遥控板软件的规划。全体软件在MDK环境下选用C言语编写，选用ST-LINK仿真器对程序进行调试与下载。

3.1飞控板体系软件规划

飞控程序的首要规划思维是开机对无线模块的初始化、MPU6050的初始化、PWM电机初始化。随后对整个体系IMU持续零偏处理，随后等候进入解锁信息的传入。飞控选用定时器中止的方法，在中止中进行对时刻的处理，每次中止计次标志就会自增，依据不同的中止堆集即不一起间的距离别离处理优先级不同的使命。

飞控体系每0.5毫秒中止一次，每次中止就会查看一次无线模块数据的接纳，保证飞控体系的操控信息的实时性。每两次中止即1毫秒读取一次IMU单元的数据，经过滤波算法取得较为精确的体系加速度、角速度的原始数据。每四次中止即2毫秒经过IMU的原始数据核算下当时飞控板体系的姿势，然后结合遥控端的方针姿势，依据两者的差值经过PID操控算法进行对各个电机的调速操控。每200次中止即100毫秒，飞控体系会收集一次电池电压，然后把电池电压发送给遥控板，用来高速操作人员当时电压的巨细。

MPU6050作为体系的惯性丈量单元，是整个体系正常工作根底。MPU6050的驱动总线为IIC方法，为了程序的方便性本体系选用PB10和PB11模仿IIC来驱动。IMU读取出来的数据仅仅最简略的加速度、陀螺仪角速度的原始数据，需求经过进一步的处理才干得到本体系想要的姿势视点。

依据处理往后的MPU数据来取得当时的姿势，详细的姿势获取理论上是依据各个视点的积分得到当时的体系姿势欧拉角。本体系的规划完成是选用四元数算法对MPU6050最滤波后的数据进行核算得到终究的欧拉角。

整个飞控体系的工作动作是经过调整飞控姿势来完成的，本体系规划在当时姿势的根底上，依据接纳到的遥控器的方针姿势对空心杯电机进行依据PID算法的PWM操控调速，然后完成飞控体系的各种根本运动。飞控板会对体系惯性丈量单元传感器的原始数据进行滤波，然后对滤波后的数据进行实时结算，终究依据遥控板发送来的方针信息进行核算出电机的操控增量，终究依据PID操控算法对电机进行操控输出。

3.2遥控板体系软件规划

遥控板的作用便是把操作人员的操作动作转化成信号传给飞翔操控板，一起将一些操控信息和飞控板传回来的信息进行实时的显现和处理。飞控板摇杆数据的收集用到了STM32的ADC功用STM32F103xx增强型产品内嵌2个12位的模仿/数字转化器(ADC)，每个ADC共用多达16个外部通道，能够完成单次或扫描转化。并且STM32的ADC能够选用DMA通道，这样能够进一步的节约硬件资源，加速体系实时性。选用SPI1驱动NRF无线模块，进行与飞控板的数据通讯。

本体系选用STM32的ADC1的通道4、通道5、通道6和通道7进行摇杆模仿数据进行收集，ADC和DMA的装备代码如下：

ADC_Configuration(); //ADC 功用装备

DMA_Configuration(); //DMA 功用装备

下面是ADC和DMA的发动和时能代码如下：

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); //发动 ADC1 转化

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

选用STM32外设SPI1驱动NRF2.4G模块，SPI初始化代码如下：

Spi1_Init();

选用无线模块的通道40进行通讯，2401初始化函数如下：

Nrf24l01_Init(MODEL_RX2,40); //通道40

2.4G无线模块NRF2401的接纳函数如下：

Nrf_Check_Event(); //读取NRF2401数据

经过2401将操控信号发送，发送函数如下：

NRF_TxPacket_AP(NRF24L01_TXDATA_RC,32); //将操控信号发给四轴

5、定论

本文描绘了一个简易四轴飞翔器体系的规划完成，整个计划分为遥控操控板各飞翔操控板两部分，经过2.4G无线模块进行操控通讯，飞控体系选用IMU体系获取姿势信息依据反应操控算法进行电机操控然后完成飞翔操控。本体系飞控板选用一体规划使得体系简略、紧凑，遥控板选用摇杆输入使体系操控体会杰出，终究完成飞翔器的根本运动。实践证明该四轴飞翔器飞翔安稳、牢靠，取得了较好作用。