基于STC15的四旋翼飛控系統設計

南京科技職業學院 張 楊 牛宗超

本文設計了一種新型四軸旋翼無人飛行器控制核心部分，從硬件（包括微控制模塊、加速度計與陀螺儀模塊、無線數據傳輸模塊、電機驅動模塊、電源模塊等）和軟件（包括無線通信、飛行姿態以及對姿態的測量等）兩方面闡述設計原理。給出了基于STC15單片機的小型無人機飛控系統總體設計方案和軟件流程。

無人飛行器又稱無人機，英文簡稱為UAV，其是利用無線電遠程遙控的、自帶程序控制裝置操縱的或者由搭載的計算機完全地或不完全地自動操作不載人飛行器。本文設計的無人飛行器除靈活機動性有優勢外，更有具有體積小、成本低、使用方便等優點。本文基于以上現狀，設計了一種以IAP15W4K58S4為核心的四軸旋翼無人飛行控制器。

1 系統結構與組成

1.1 結構

四旋翼飛行器的螺旋槳轉速是由通過控制搭載的四個無刷電機來改變的，以控制升力的變化從而實現對飛行器位置以及各種姿態的控制。

1.2 組成

所設計的四軸飛行器主要由機身主體、動力系統、控制系統三大部分組成。本系統使用了MPU6050作為姿態測量芯片，采用NRF24L01+芯片作為系統的數據傳輸芯片，由場效應管驅動四個電機旋轉，持續增加二極管的續流，防止場效應管被電機返電動勢擊穿。

本系統整體框圖如圖1所示。

圖1 四旋翼飛行器原理框圖

2 系統硬件設計

2.1 微控制器模塊

本設計IAP15W4K58S4作為系統的主處理器。該單片機可以調制出250～450hz的PWM脈沖方波，送給驅動電路，頻率越高轉速會越快。

2.2 加速度計和陀螺儀模塊

MPU-6050芯片是一款9軸運動處理傳感器,包括3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，還有一個可擴展的數字運動處理器DMP。MPU6050模塊原理圖，如圖2所示。

圖2 MPU6050模塊原理圖

2.3 無線數據傳輸模塊

在無線數據傳輸模塊方面，為了解決遙控器與無人機之間的通信問題，本設計采用了NRF24L01芯片無線數據傳輸模塊。NRF24L01的工作頻段在2.4Ghz～2.5Ghz之間，可以通過SPI接口設置協議，選擇輸出功率。無線數據傳輸模塊如圖3所示。

圖3 無線數據傳輸模塊

2.4 電機驅動模塊

在控制和驅動直流電機方面，我們采用了N溝道場效應管，不僅僅能通過最大為2.8A的電流還具備有較大的漏極電流，以保障絕對的安全。

2.5 電源模塊

電源采用了BL8530芯片作為電源部分的芯片，這個芯片具有極強的負載驅動能力，極低的啟動電壓且電壓精度可以達到2%，效率能達到85%之高。電源模塊如圖4所示。

圖4 BL8530芯片模塊

3 系統軟件設計

3.1 總體設計

多旋翼無人機的飛行原理是通過改變四個電機的的旋轉速度從而實現改變螺旋槳的轉動速度，實現其升降，然后使飛行器達到穩定的姿態。此外，它是一種六個方向自由度的垂起飛行器，雖然只有四個通道輸入力，但可以提供六個狀態的輸出，所以被我們稱之為欠驅動系統。飛行控制系統參與控制才能保證這種系統完成飛行。

飛行控制系統的程序流程圖，如圖5所示。

3.2 姿態控制

只有在飛行器的姿態、角度等信息計算出來后，飛控才可以進行輸出與控制。其表示方式可以分為歐拉角控制和四元數控制。控制的思路為：調整四個直流電機的轉動速度，使測量結果接近目標姿態。選用PID控制器，可以規避較為復雜的精準的動力學建模。

結束語：本文設計了一種四軸旋翼無人飛行器，闡述了其軟硬件優勢，通過設計原理了解該四軸旋翼無人機較傳統多旋翼無人機在體積、便捷性、成本上更勝一籌。近幾年來，無人機一直都是研究領域的熱門，隨著國家對民用無人機的支持與民用航空的開發，通過便攜性高、成本低、響應速度快的無人機構建民用航空生態網絡的路一片光明。