基于STC15W4K32S4的四旋翼無人機設計

郭小博 南京林業大學

基于STC15W4K32S4的四旋翼無人機設計

郭小博 南京林業大學

四旋翼無人機是一種具有四個螺旋的無人飛行器，具有體積小、結構簡單、機動性強、成本低及隱蔽性好等特點具有重要的軍事和民用價值，是當前的研究熱點。介紹以STC15w4k32s作為主控制器，以MPU6050為航向姿態參機載傳感器，以NRF24L01芯片模塊為通訊模塊，采用串級PID控制算法的四旋翼飛行器的設計，基本實現了四旋翼無人機的可靠飛行。

四旋翼無人機 控制器 51單片機

隨著國產單片機的進步，STC15W4K32S4系列單片機作為新一代8051單片機，基本滿足了四旋翼無人機的控制需求。8051單片機易于學習，同時市面資料多，其特點是其他單片機無法代替的。本文結合8051單片機的特點，介紹了四旋翼無人機系統的實現方案。給出了系統控制核心設計、電源模塊設計、慣性測量模塊設計，電機驅動模塊設計，無線通信模塊設計。

1 總體設計

本系統為X型機型。四旋翼無人機系統由控制器模塊、電源模塊、傳感器模塊、無線通信模塊、電子調速器模塊和無刷直流電機組成。微控制器為系統的核心部件，電源模塊為其他模塊提供穩定電壓，傳感器模塊主要為MPU6050，提供飛行器的原始姿態數據，無線通信模塊接收外部命令，電子調速器和無刷電機為無人機提供動力。

2 飛行器硬件設計

2.1 控制器設計

控制器采用國產宏晶公司的STC15W4K32S4單片機，該單片機為單時鐘/機器周期（1T），指令代碼完全兼容傳統8051，但是速度快8—12倍，內部集成高精準度R/C時鐘，擁有4K的大容量SRAM，32K的Flash程序存儲器，而且集成了一組（各自獨立6路）增強型的PWM波形發生器，可進行四旋翼無人機的空間姿態解算，無線系統的實時傳輸，滿足的四旋翼無人機的基本控制要求。

2.2 電源模塊設計

由于電子調速器自帶BEC輸出，可為系統提供穩定的5V供電。但是傳感器模塊和無線發射模塊需要3．3V供電，設計降壓電路。采用RT9193D電源芯片，RT9193系列是具有高精度，低噪音，高速度，兼容低ESR電容，采用CMOS工藝生產的低壓差LDO電壓調整器，內部包括參考電壓源電路，誤差放大器電路，過流保護電路和相位補償電路。RT9193系列的輸出電壓在0．8～5．0V范圍。

2.3 傳感器模塊設計

傳感器模塊主要為MPU6050芯片。MPU-6050為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。它是具有16位模擬/數字轉換器，將其輸出的模擬量轉化為可輸出的數字量。通過IIC接口與單片機交換信息。

2.4 無線通信模塊設計

四旋翼無人機采用的是2．4G無線模塊，芯片為nRF24L01。nRF24L01是由NORDIC生產 的工作在2．4GHz～2．5GHz的ISM頻段的單片無線收發器芯片。無線收發器包括：頻率發生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。

2.5 電子調速器和無刷電機

電子調速器采用商用電調（好盈天行者），可持續輸出40A電流，油門信號頻率范圍為50Hz到432Hz，帶BEC輸出，為5V/3A。無刷電機為2300KV，最大功率150W，最大可提供430g拉力。

3 飛行器控制

3.1 姿態數據處理及數據融合濾波

對MPU6050三軸陀螺儀和三軸加速度計作為數據進行處理，陀螺儀采集角速度信息，通過對一個周期內的角速度積分可以得到角度信息，與上一個角度進行比較即可得到當前的姿態角。而加速度計則是通過采集每一個軸上的加速度信息，與垂直向下的重力加速度相比較，再通過三角函數計算，得到每一個軸與重力加速度的夾角從而得出姿態角。

陀螺儀和加速度計可以獨立測出飛行器的姿態角，但是二者各有利弊，陀螺儀雖然動態性能較好，可普遍存在著零點誤差及溫度漂移，導致積分過程中誤差累計嚴重，后期數據幾乎沒有參考性，而加速度計雖然有良好的靜態性能，但其震動及噪音較大，很難得到準確的角度值，故而對兩種傳感器的數據進行融合，濾波方能得到準確的角度值。根據陀螺儀動態性能好，加速度計靜態性能好的特點，采用互補濾波的方法，對陀螺儀的數據進行高通濾波，對加速度計的數據進行低通濾波，通過對參數進行整定最終修正偏差漂移從而得到一個精確的姿態角。

3.2 姿態控制

本系統采用的姿態控制為串級PID控制算法，即為比例(proportion)、積分(integral)、微分(derivative)的縮寫，此算法技術成熟，相對簡單，為目前四旋翼無人機的主流控制方法。由于四旋翼飛行器是一個典型的非線性系統，而傳統的PID控制更適合線性系統，所以在控制四旋翼飛行器的過程中往往存在著不同程度的超調和震蕩，為了改善系統的動態特性及抗擾動的能力，該系統采用串級PID控制，即兩個PID調節器串聯工作，一個調節器的輸出作為另一個的輸入。在該控制系統中，外環得到的姿態角經過PID計算后作為內環的期望角速度，內環的PID計算通過調節傳遞函數的參數使得其迅速、準確地跟隨外環的輸出控制量，通過串級PID控制，避免了輸入值頻繁變化造成的系統不穩定的問題，達到了很好的位置控制的效果。

4 結束語

本文介紹了四旋翼無人機飛行控制器的硬件結構的設計以及控制算法的實現，本文采用STC15W4K32S4單片機作為微控制器，是本四旋翼飛行器系統的一大特點。本系統經過實際測試，可在室外按命令進行飛行，姿態穩定，反應時間較短，無線傳輸可靠，達到了預期設計要求，但是算法仍然存在優化的空間，例如傳感器數據漂移等問題，希望在以后進一步研究，使其真正的走向實際應用。

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注：

受南京林業大學大學生創新訓練計劃資助。