期刊选集|基于STM32的MINI四轴飞行器控制系统设计

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引言
四轴飞行器结构简单，操作灵活，单位体积内可提供巨大的升力，适合在狭窄环境中飞行，携带各种电子设备可执行各种任务，例如军事侦察、定位跟踪、农田监测等，在军事、民用等领域均有广泛的应用和广阔的前景。近年来随着科技的发展，电子元件成本下降，四轴飞行器的小型化、便携化、商业化逐渐成为研究的新方向。
本文设计了一种基于STM32的MINI四轴飞行器控制系统，飞行器的主体由PCB板集成各种元器件组成，以STM32单片机为主控制器，MPU6050为惯性测量单元模块核心，3.7V锂电池供电，通过蓝牙模块HC-05，实现了手机APP控制四轴飞行器的飞行姿态。
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飞行原理
与传统的固定翼飞行器相比，四轴飞行器的飞行原理相对复杂。四轴飞行器又名四旋翼飞行器，顾名思义，机身由四个旋翼驱动，即电机带动螺旋桨驱动。机身大多设计为x型，螺旋桨均匀分布在机身四角，通过改变四个螺旋桨的旋转速度，实现机身的俯仰，转向等。电机运作时，螺旋桨会产生两个力，一个是升力，一个是与螺旋桨转向相反的反扭矩。反扭矩会使飞行器沿着螺旋桨旋转的方向自旋，为了抵消反扭矩，通常相邻的螺旋桨旋转方向相反。具体飞行原理如图1所示。

图1 四轴飞行原理图
以x型四轴飞行器飞行方式为例，四个电机依次编号为1号、2号、3号、4号。
当飞行器自稳定后，1号、2号、3号、4号电机同等加速即为飞行器垂直上升；1号、2号、3号、4号电机同等减速即为飞行器垂直降落。
当飞行器自稳定后，1号、2号电机同等减速，3号、4号电机同等加速，即为飞行器前倾；1号、2号电机同等加速，3号、4号电机同等减速，即为飞行器后倾。
当飞行器自稳定后，1号、3号电机同等减速，2号、4号电机同等加速，即为飞行器左倾；1号、3号电机同等加速，2号、4号电机同等减速，即为飞行器右倾。
当飞行器自稳定后，1号、4号电机同等减速，2号、3号电机同等加速，即为飞行器顺时针运动；1号、4号电机同等加速，2号、3号电机同等减速，即为飞行器逆时针运动。
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总体方案设计
四轴飞行器一般由电机、电调、电池、机架、飞控、遥控、螺旋桨等组成，其中最核心的就是四轴飞行器的飞控。本设计中讨论的MINI四轴飞行器的机身由PCB板集合各电子元件构成，即机身的主体就是一块完整的飞控，能够有效的减少体积，减轻质量。机身PCB文件如图2所示。

图2 MINI四轴机身PCB
MINI四轴飞行器硬件方面由惯性测量单元，微处理器模块，通信模块，动力模块等组成。当飞行器启动后，各模块完成初始化，微处理器读取惯性测量单元模块数据，滤波之后计算出相对水平面的欧拉角，判断自身姿态。同时蓝牙模块HC-05实时接收APP内发出的命令指令，将采集到的各数据通过PID控制得到四路PWM波，输出四路PWM信号控制四个电机的转速，实现飞行器姿态的控制。设计结构框图如图3所示。

图3 设计结构框图
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系统硬件设计与实现
硬件系统的微处理器选用STM32F103C8T6，惯性测量单元选用MPU6050，通信模块选用HC-05和手机端APP连接通信，动力模块选用电机和电调，以3.7V，350mh的锂电池进行供电。
4.1 微处理器模块
采用STM32F103C8T6作为微控制器，STM32F103C8T6是基于CORTEX-M3内核的芯片，CPU频率高达72MHz，拥有128K字节的内置闪存存储器，20K字节的内置SRAM。内置嵌套的向量式中断控制器，能够处理多达43个可屏蔽中断通道和16个优先级，外部中断/事件控制器包含19个边沿检测器，用于产生中断/事件请求，每个中断线都可以独立地配置。该芯片的配置十分强悍，具有卓越的性能。相较于其他型号单片机，STM32拥有更多的接口，更强的数据处理能力，优化完善，资料丰富，更适合作为四轴飞行器的微控制器。图4为STM32控制芯片电路图。

图4 STM32控制芯片电路图
4.2 惯性测量单元模块
惯性测量单元模块采用MPU6050为核心，MPU6050是Invensense公司生产的市场上第一款集成了陀螺仪的6轴芯片加速度计，通过内部3轴加速度计和3轴陀螺仪可以测量3轴加速度和3轴角速度。图5为MPU6050芯片电路图。

图5 MPU6050芯片电路图
MPU6050数据传输可通过最高至400kHz的I2C总线完成，数据传输高效快速。元件封装尺寸仅为4mm*4mm *0.9mm（QFN），能够有效的减少体积。同时具有高达10000GHz的碰撞容忍度，避免飞行器在升降、携带、运输过程中损坏，影响飞行精度。MPU6050内部含有数字运动处理器DMP，它可以直接在传感器内部直接将姿态信息以四元数的形式输出，微处理器获得四元数后可直接转换成欧拉角，简化了芯片操作，有利于数据处理。

4.3 通信模块
通信模块由两部分组成，分别是机身上的蓝牙模块HC-05和手机端APP。HC-05采用基于Bluetooth Specification V2.0蓝牙协议，通用性较强，适用于大多数工业数传，智能机自带蓝牙扫描功能，可直接与智能机实现通讯。手机端APP可采用任意一款开源的四轴控制软件，也可自己编写。图6为手机控制端APP显示画面。预先在微处理器中烧录握手程序后，HC-05和手机APP自动连接，HC-05接收手机APP发送的姿态命令数据后，将数据传送至微处理器STM32。数据采集和数据传递实时更新。

图6 手机控制端APP显示画面
4.4 动力模块
动力模块主要由电源，电机，螺旋桨和电调组成。飞行器为提高续航能力，需尽量减轻自身重量。为达到节省体积减少重量的目的，应该选择锂电池为飞行器电源，该类电池体积小，容量大，重量轻，无记忆效应，适合微型四轴使用。电调可将来自飞控的控制信号转换为电信号，通过改变电流的大小控制各个电机的转速，电机带动桨叶，飞行器获得动力并且实现飞行器的姿态变化。图7为电机控制电路图。

图7 电机控制电路图
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系统软件设计
程序可分为多个模块编写，主要有：系统初始化模块、姿态计算模块、信号收发模块、PID电机控制模块。其中比较关键的是PID电机控制模块，P是比例环节，I是积分环节，D是微分环节。控制过程如图8所示。

图8 PID电机控制流程图
将给定速度与转速进行比较，其差值为，经PID控制器调整后输出电压控制信号为，计算公式如下所示。

因为控制处理器采样控制是根据时刻偏差值计算的，得到的是离散式数据，所以可用求和形式代替连续时间积分形式，用增量形式代替连续时间微分形式，数据处理相对容易。
然而在只考虑角度的情况下，控制效果并不理想，在这里引入角度和角速度，采用串级PID控制，双环控制使飞行器稳定性更强，控制更灵敏。结合PID原理可写出电机控制程序，其中Pitch为俯仰角、Roll为横滚角、Yaw为偏航角，throttle为电机值，最后得到的moto值输送到PWM波占空比控制程序，进而控制电机，代码如下。
PID_ROL.pout = PID_ROL.P * rol;
PID_PIT.pout = PID_PIT.P * pit;
PID_YAW.pout = PID_YAW.P * yaw;
PID_ROL.iout += PID_ROL.I * rol;
PID_PIT.iout += PID_PIT.I * pit;
PID_ROL.dout = PID_ROL.D *MPU6050_GYRO_LAST.X;
PID_PIT.dout = PID_PIT.D *MPU6050_GYRO_LAST.Y;
PID_YAW.dout = PID_YAW.D * yaw_d;
PID_ROL.OUT = PID_ROL.pout +PID_ROL.iout + PID_ROL.dout;
PID_PIT.OUT = PID_PIT.pout +PID_PIT.iout + PID_PIT.dout;
PID_YAW.OUT = PID_YAW.pout +PID_YAW.iout + PID_YAW.dout;
moto1 = throttle - PID_ROL.OUT - PID_PIT.OUT + PID_YAW.OUT;
moto2 = throttle - PID_ROL.OUT + PID_PIT.OUT - PID_YAW.OUT;
moto3 = throttle + PID_ROL.OUT - PID_PIT.OUT - PID_YAW.OUT;
moto4 = throttle + PID_ROL.OUT + PID_PIT.OUT + PID_YAW.OUT;
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系统测试
插上电池接口，将飞行器置于水平地面上，此时飞控上面有绿色和蓝色指示灯闪烁。蓝色指示灯为蓝牙状态指示，闪烁时表明没有与手机蓝牙连接，常亮时表明已与手机蓝牙连接。当飞行器与手机APP完成对接之后，绿色指示灯常亮，表示随时可以执行手机APP指令。缓缓推动手机APP上的油门按钮即可起飞。飞行效果如图9所示。

图9 飞行效果图
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结论
本设计采用STM32单片机实现了四轴飞行器的控制要求。电路设计简单，体积小，成本低，控制灵活，无需配备特制遥控器，便于携带。并且可外接各种传感器，数据处理能力强，可玩性高，有一定的研究和市场应用价值。