基于STC15單片機的四軸飛行器系統設計

王廬山

摘要：選用STC單片機作為主控芯片，采用MPU6050九軸陀螺儀作用四軸飛行器的姿態傳感器，飛控主板與遙控器的通訊采用2.4G無線模塊。電機驅動采用場效應管，同時利用STC15單片機內部自帶的硬件PWM控制飛機電機的轉速，電源部分采用一節3.7V鋰電池供電，經過升壓為5V，再經過降為3.3V。與其它外圍電路一起構成四軸飛行器的硬件系統。軟件部分采用C語言模塊化編程，提高開發效率。四軸飛行器在遙控器的控制下能夠完成一鍵起飛、無線遙控、手動控制等功能。同時電腦上位機可實時顯示四軸的飛行姿態。

關鍵詞：STC15單片機;四軸飛行器;PWM控制;無線遙控;陀螺儀

0? 引言

飛行器設計與制作越來越受學生的喜愛。但由于飛行技術涉及專業領域較多，致使他們望而卻步。該四軸飛行器基于STC15微控制器，是中國宏晶公司自主研發的一款高性能微控制器，在全國大學生電子設計大賽中多有采用。本款四軸飛行器采用2.4G無線遙控器和WIFI控制，能一鍵起飛，彈射拋飛，還能夠向上位機實時傳回飛機的姿態，采用先進的飛控算法，PID控制，PWM調速功能。

同時學生既可以練習電子產品裝配與調試技術，又可以學習STC15單片機技術，是典型的軟硬件都可以學習的教學實訓好載體。因此我們設計了這款四軸飛行器。讓學生在玩中學，在學中玩。因此設計一款STC15微控制器為核心的四軸飛行器，市場前景看好。

1? 四軸飛行器硬件系統設計

1.1 系統的總體設計

四軸飛行器主要由單片機最小系統電路、電源電路、電機驅動電路、2.4G無線通訊模塊、九軸陀螺儀電路、超聲波定高模塊和串口通信模塊六個部分組成。

傳統51單片機是目前使用量最多的單片機，但其片內資源較少，而且A/D轉換時需要外接芯片，并且沒有PWM功能，而STC15W4K48S4單片機是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍，內部集成6路硬件PWM單元，8路高速10位A/D轉換，針對強干擾場合。由于四軸飛行器器需要4路硬件PWM調速控制單元和4路A/D采集系統，因此四軸飛行器的CPU采用STC15W4K48S4單片機作為主控制芯片，該CPU完全兼容傳統的51單片機，學習起來非常熟悉，參考資料多，降低了設計難度，便于學生開發。

本款四軸飛行器的四個電機采用MOS管驅動。利用STC內部自帶的四路硬件PWM，P3.7、P2.1、P2.2、P2.3四個引腳分別為PWM2、PWM3、PWM4、PWM5。九軸陀螺儀MPU6050通過IIC總線與CPU的P3.4、P3.5相連。2.4G無線模塊通過SPI總線接在CPU的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7、P0.1。超聲波定高模塊接在P3.2和P3.4口，WIFI模塊和程序下載接在P3.0和P3.1口。

1.2 電源電路設計

四軸的電源，我們采用3.7V的鋰電池來供電。首先電池的3.7V電壓送到BL8530進行升壓處理，得到穩定的5V電壓，5V電壓主要供給STC15單片機、程序下載電路、MPU6050，超聲波定高模塊和磁場模塊。5V的電壓再經 ME6219進行降壓，降到3.3V，供2.4G無線模塊使用，電容C5、C6是退耦電容，起到抗干擾的作用。電容C14、C15、C16是濾波電容。L1、D6和U3一起作為開關電源，起到把3.7V電壓升到5V的作用。D5是防電源插座防反接作用。CON2是3.7V鋰粒子電池接口。

1.3 四軸飛行器電機驅動電路設計

STC15單片機I/O口，是不能直接驅動大電路器件的，本設計采用NMOS管SI2302來驅動電機，電路如圖1所示。該MOS管的驅動電路可達3A，完全滿足我們的設計需求。C9、C10、C11、C12都為退耦電容，用于濾除電機運行時的干擾。

當單片機發出PWM控制信號時，對于N溝道的MOS管來說，高電平導通，低電平截止。需要注意的是，在飛行器的電機驅動電路中，驅動電路的電源直接用電池的電源。

1.4 無線通信電路設計

無線通信采用NRF24L01模塊，通過SPI總線與單片機通訊，接收遙控器發來信號，單片機收到控制信號后，做出相應的飛控動作。需要注意的是，無線模塊采用3.3V供電。

1.5 九軸陀螺儀電路設計

飛控的姿態數據采集用陀螺儀 MPU6050，這部分的電路圖比較簡單，單片機通過IIC總線與陀螺儀電路相連，讀取飛行器的姿態數據，然后進行數據融合或四元數轉換，再經過PID運算，PWM輸出控制飛行器的電機動作。

2? 四軸飛行器軟件系統設計

四軸飛行器主控系統軟件分為主程序、MPU6050飛行器姿態讀取子程序、PID數據融合與PWM子程序、無線通信子程序、超聲波定高子程序五部分。

2.1 四軸飛行器主程序設計

在主程序中，首先對飛控用到的模塊和端口初始化。初始化PWM、ADC轉換功能、九軸陀螺儀MPU6050、2.4G無線通訊模塊、定時器T0等。

NRF24L01先設定為發送狀態，并發送飛控的姿態數據給上位機，然后設定無線模塊為接收狀態，接收遙控器發來的數據。

判斷飛機是否失聯，如果失聯，則降低油門，歸中航向、橫滾、俯昂角，迫使飛機降落下來。當飛機未失聯時，判斷飛機是否解鎖。

當處于解鎖狀態時，點亮流動狀態燈，指示飛機處于正常狀態，并且每2毫秒讀取陀螺儀數據，超聲波數據，進行數據融合，四元數據解算，PID運算和PWM控制，使得飛機的飛行狀態在人的操作下，穩定的飛行。

2.2 MPU6050飛行器姿態讀取子程序設計

單片機通過IIC總線讀出陀螺儀的三軸加速度和三軸陀螺儀的數據，然后進行數據的處理。

MPU6050集成了三軸的陀螺儀和三軸加速度。角速度范圍為±250、±500、±1000與±2000。MPU6050帶有三軸陀螺儀，每個陀螺儀各自負責檢測相應軸的轉動速度，也就是檢測圍繞各個軸轉動的速度。

通過I2C接口讀出來的轉換結果ADC值，并不是以度/每秒為單位。一般按以下公式進行轉換：轉換結果= ADC值/靈敏度。以量程為±1000°/s為例說明。假設讀取x軸的ADC值為200，而在±1000°/s下的靈敏度為32.8LSB/（°/s）。根據上面的公式：轉換結果=200/32.8=6.09756°/s。這就是說，MPU6050檢測到模塊正在以約6度每秒的速度繞X軸旋轉。ADC值并不都是正的，當出現負數時，意味著該設備從現有的正方向相反的方向旋轉。

2.3 PID、四元數數據融合、PWM控制子程序設計

PID、四元數數據融合、PWM控制子程序流程圖如圖2所示。四軸飛行器的PID采用雙環控制。外環是角度，內環是陀螺儀。以X軸的PID為例說明操作過程。

①讀取MPU6050飛控制的姿態數據，即三軸加速度和三軸陀螺儀數據。

Gyro_x=GetData（GYRO_XOUT_H）;//讀出X軸陀螺儀數據

Gyro_y=GetData（GYRO_YOUT_H）;//讀出 Y軸陀螺儀數據

Gyro_z=GetData（GYRO_ZOUT_H）;//讀出 Z軸陀螺儀數據

Accel_y=GetData（ACCEL_YOUT_H）;//讀出 X軸加速度數據

Accel_x=GetData（ACCEL_XOUT_H）;//讀出 Y軸陀螺儀數據

Accel_z=GetData（ACCEL_ZOUT_H）;//讀出 Z軸加速度數據

②根據選擇的量程對陀螺儀和加速度數據進行轉換，因為我們加速度的量程為±4g/S，所以要除以8192，陀螺儀的量程為±500度/S，所以要除以65.5。

Angle_ax=（Accel_x）/8192;? //加速度處理

Angle_az=（Accel_z）/8192;? //加速度量程±4g/S

Angle_ay=（Accel_y）/8192;? //轉換關系? ?8192LSB/g

Angle_gx=（Gyro_x）/65.5;? ? //陀螺儀處理

Angle_gy=（Gyro_y）/65.5;? ? //陀螺儀量程±500度/S

Angle_gz=（Gyro_z）/65.5;? ? //轉換關系65.5LSB/度

③四元數解算出歐拉解。

IMUupdate（Angle_gx*0.0174533，Angle_gy*0.0174533，Angle_gz*0.0174533，Angle_ax，Angle_ay，Angle_az）;得到俯昂角AngleX和橫滾角AngleY。

④計算外環的誤差。

Ax=-FR1+a_x-AngleX; 其中FR1為遙控器發來的橫滾搖桿數據，ax為遙控器發來的橫滾微調數據，AngleX為俯昂角。

⑤外環誤差積分與限幅。

ERRORX_Out += Ax; //外環積分

if（ERRORX_Out >? ERR_MAX）ERRORX_Out =? ERR_MAX;//積分限幅

else if（ERRORX_Out < -ERR_MAX）ERRORX_Out = -ERR_MAX;//積分限幅

⑥算出外環的PID。

PID_Output = Ax*Out_XP + ERRORX_Out*Out_XI+（Ax-Last_Ax）*Out_XD; //外環PID

⑦計算內環誤差。

gy=PID_Output-Angle_gy;PID_Outpu為外環的輸出，作為內環的輸入，Angle_gy為Y軸的陀螺儀值。

⑧內環誤差積分與限幅。

if（YM > 30）ERRORX_In += gy;//內環積分（油門小于某個值時不積分）

else ERRORX_In? = 0; //油門小于定值時清除積分值

if（ERRORX_In >? ERR_MAX） ERRORX_In =? ERR_MAX;

else if（ERRORX_In < -ERR_MAX） ERRORX_In = -ERR_MAX;//積分限幅

⑨算出總環的PID及限幅。

PID_Output = gy*In_XP + ERRORX_In*In_XI + （gy-Last_gy）*In_XD;

if（PID_Output >? 1000） PID_Output =? 1000;//輸出量限幅

if（PID_Output < -1000） PID_Output = -1000;

⑩PWM控制四軸飛機的電機。

speed0 = 0 + PID_Output;speed1 = 0 - PID_Output;

speed3 = 0 + PID_Output;speed2 = 0 - PID_Output;

2.4 無線通訊子程序設計

主程序上電，通過SPI總線初始化NRF24L01，并配置為接收方式，當NRF24L01模塊接收到數據后傳遞給主控制器，由主控制器進行數據處理。

NRF24L01模塊每個數據幀為11個字節，這11個字節的功能依次為：失聯變量、解鎖或上鎖命令值、油門變量、高低字節、航向變量、橫滾變量、俯仰變量、設置參數變量、橫滾微調值、俯昂微調值、航向微調值。單片機就是根據無線模塊發來的數據，對飛行器進行控制。

參考文獻：

[1]劉乾，孫志鋒.基于ARM的四旋翼無人飛行器控制系統[J].機電工程，2011（10）.

[2]趙鶴，王喆垚.基于UKF的MEMS傳感器姿態測量系統[J].傳感技術學報，2011（05）.

[3]周江華，苗育紅.四元數在剛體姿態仿真中的應用研究[J].飛行力學，2000（04）.