基于STM32單片機的微型無人機制作

高尚+王婷婷+郭煥銀

摘 要：STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核芯片。而且產品產量豐富，應用成熟，故用來做控制芯片。本文主要介紹用STM32單片機控制微型四軸飛行器的電機轉速、6軸運動傳感器以及與遙控器的無線傳輸部分。使用PID控制器結合MPU6050分析比較飛行器的動態性能，利用PWM調節電機轉速。

關鍵詞：STM單片機；微型四軸飛行器；PID算法；PWM輸出

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.247

0 引言

微型四軸飛行器屬于旋翼式飛行器，具有體積小、結構簡單、設計成本低等優點，在軍事探測、信息采集、增強通信節點等方面應用廣泛。系統主要由機架、MCU、傳感器模塊、無線傳輸模塊、電機和遙控器等部分組成。

1 微型四軸飛行器的結構及原理

微型四軸飛行器屬于多旋翼飛行器，四支旋翼安裝在電機上，通過分別控制四個電機的轉速達到飛行器前進、后退、轉向、爬升、下降等效果。微型四軸飛行器的機械結構多采用“十字架”型，四個端點安裝電機中間部分放置控制電路、電源電路等。為保證飛行器機械結構平衡，本設計中電路板的外形使用CAD軟件繪制，絕對的規則對稱。元器件擺放位置既要考慮布線方便也要考慮機械結構平衡。

2 微型四軸飛行器的硬件設計

本設計的硬件結構主要包括兩個部分：飛控板和遙控器。

飛控板采用STM32 MCU作為主控芯片，控制電機驅動模塊、MPU6050六軸運動傳感器及NRF24L01無線傳輸模塊。飛控板上還包含電源模塊，使用XC6209穩壓芯片為主控芯片提供電壓，電機由電池直接供電。飛控板上設有SWD下載模塊，方便下載程序和在線調試程序。

遙控器部分也采用STM32 MCU作為控制芯片，該芯片具有性能高、功耗低、成本較低等特點。遙控板上還有藍牙模塊、NRF24L01無線通訊模塊，方便與上位機進行通信。本設計遙控器部分采用搖桿控制油門，通過搖桿油門控制更加線性。同時增加了微調按鍵，可以更好的控制油門和機身方向。

3 微型四軸飛行器的軟件設計

本設計的程序主要包含兩個部分：遙控器程序和飛控程序。分別都使用STM32芯片作為主控芯片。因為Keil5的在線調試對飛行器參數修改十分方便。所以使用keil5軟件編程，編程語言為C語言。

3.1 姿態分析及卡爾曼濾波

本設計飛控板上使用的MPU6050六軸運動傳感器，3軸加速度計3軸角速度計。其體積小巧、功耗低、精度高、成本低，被運用在智能手機、運動感測游戲、3D遙控器等眾多場合。微型四軸飛行器采集到加速度計和陀螺儀的數據后，經過 數據融合、卡爾曼濾波，將兩種數據融合在一起計算出精確的姿態角數據，再將 數據通過串口發送到由匿名科創提供的上位機軟件，將三軸姿態角用3D效果圖直觀顯示出來，并修改飛行器的參數。

3.2 NRF24L01無線通信

NRF24L01是常用的無線收發芯片，體積小、低功耗、工作溫度范圍大、通道多等特點。常用于無線鼠標、遙感勘測、工業傳感器等場合。本設計使用兩個NRF24L01模塊，一個用在遙控器上發送控制電機的數據，一個用于飛控板接收遙控器的油門信號。

3.3 PID控制器

在模擬控制系統中，控制器最常用的控制規律是PID控制。本設計采用位置式PID，在設計中，外環采用角度環進行PI控制，內環采用角速度環進行D控制。 設置這樣的串級PID可以使飛行器在大角度偏差時修正速度快，小角度偏差時修正速度慢。外環期望角度為設定值，如懸停的期望值為0°，而實際角度值由卡爾曼濾波后的角度數據提供。外環PI控制器的輸出值作為內環D控制器的期望值，內環角速度實際值由傳感器MPU6050內部的陀螺儀提供 。

4 系統測試

4.1 硬件測試

遙控器和飛控板焊接完成后需要檢測每個焊盤是否虛焊、短接。上電后用手觸摸各個芯片、元器件是否發熱，如果有不正常發熱及時斷電。經過檢測，遙控器和飛控板的電路正常，可以使用。

4.2 軟件測試

將程序分別下載到遙控器和飛控板中。先測試飛控板姿態檢測是否準確，觀察上位機顯示的數據和飛控板姿態是否同步。在檢測遙控器和飛控板之間能不能正常通信，給一定的油門量看電機是否有反應。檢測發現程序可以正常使用，但需要繼續優化。

5 總結

本設計主控使用STM32芯片，用MPU6050姿態采集，采用NRF24101無線模塊和藍牙進行通信控制，以及SWD調試模式。最終經過對軟硬件的調試，實現微型四軸飛行器的人工遙控。系統涉及知識比較多，很適合學習研究。

參考文獻：

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