基于STM32F4 的四軸無人機設計

李少童，何明興，李大彬，王耀政

(廣州城市理工學院，廣東廣州，510800)

0 引言

四軸無人機的發展日益迅速，各行各業對無人機的需求也越來越大，目前國內外無人機技術壟斷相對嚴重，大疆占全球市場份額近八成左右，占國內市場也近七成，但大疆的價格相對較高，普通用戶難以消費，因此低成本多功能的小型無人機相對空缺，因此基于STM32 單片機開發一款低成本的小型無人機意義重大。

1 四軸無人機的關鍵零部件選型

1.1 電機

在本項目中我們團隊選擇兩種不同的電機，直流有刷電機即圖1 的空心杯電機720 和主流無刷電機A2212 電機。空心杯電機優勢在于體型小巧，運行穩定性高，其速度波動可控制在2%，在相應速度-電壓參數能呈現出標準的線性關系，有利于無人機的控制，缺點則在于空心杯電機發熱嚴重，使用壽命較短，且一般無法承受大電流運行，因此所制作的無人機無法負重飛行，一般適用于超小型無人機設計。A2212 無刷電機在能量轉換效率高，一般可高達96%的能量轉換，啟動轉矩地，峰值轉矩高，機械時間常數小，轉子與定子間無徑向作用力，轉子穩定性高，散熱效果良好等優點，一般適用于大型無人機的設計，其主要缺點在于不可缺相運行，不僅因為剩余的繞組的發生的磁場點2 個大小相等，方向相反旋轉磁場，它們和轉子作用發生的扭矩大小相等，方向相反相互抵消，零起動轉矩電機不能啟動，還可能直接燒毀電機，損壞電路。本次無人機項目選擇使用直流有刷電機，型號為720，額定電壓3.4V，額定電流800mA，額定轉速34000。電機如圖1 所示。

圖1 電機

1.2 電池

我們選用的是1000mAh，1S/3.7V 的航模鋰電池，電池如圖2 所示。

圖2 電池

航模鋰電池的體積不大，且質量輕，容量比也極高，放電率高，爆發性強適用于短時間啟動需大能量的電機。而我們選擇的這款航模鋰電池擁有這1000mAh 的容量，理論上可以支撐上述選用的四個空心杯電機全功率使用0.3h。

1.3 螺旋槳

為保證四軸無人機有較強的升力及更輕的重量，我們選用的是直徑為46mm 的槳葉，如圖3 所示。

圖3 螺旋槳

1.4 四軸機架

機架一般占據了整個無人機的重量70%，常選擇質量較輕，硬度高的材料設計。因為我們所制作的小型無人機，其PCB 板已占據了大部分重量，為此我們選擇直接通過對PCB 的繪制，制作出無人機機架外觀再增加保護膠圈，提高無人機使用安全性，如圖4 所示。

圖4 機架

2 無人機部分硬件電路系統的設計

2.1 主控MCU

主控MCU 選用STM32F401CCU6，這是一款高性能Arm Cortex-M4 32 位 RISC 核心，工作頻率高達84 MHz，Cortex-M4 核心具有浮點單元（FPU)單精度[1]，支持所有的單精度數據處理指令和數據類型，有助于無人機的四元數姿態結算，STM32F401CCU6 采用了高達256KB 的FLASH和64KB 的SRAM，設備還提供一個12 位 ADC、一個低功耗 RTC、六個通用16 位定時器，包括一個用于電機控制的PWM 定時器、兩個通用32 位定時器，可以滿足無人機的系統控制需求，同時設備具有標準的通信接口SPI 和IIC 接口，能滿足無人機的基本通信要求。STM32F401CCU6 原理圖，如圖5 所示。

圖5 MCU 原理圖

2.2 傳感器

無人機板載一顆九軸陀螺儀傳感器MPU6050 和一顆高精度氣壓傳感器BMP280，MPU6050 內部整合了三軸MEMS 陀螺儀和三軸MEMS 加速度計，還有可以結合InvenSense 公司提供的運動處理資料庫，實現姿態解算，并通過I2C 接口輸出，大大降低了運動處理運算對操作系統的負荷，可實現無人機的穩飛控制與角度PID 控制。BMP280 是BOSCH 公司旗下的高精度低功耗數字氣壓傳感器，氣壓相對精度高達±0.12 hPa，用于無人機的高度檢測和定高PID 控制，圖6 是BMP280 氣壓傳感器和MPU6050 陀螺儀傳感器原理圖。

圖6 傳感器原理圖

2.3 電機系統

四軸采用微型高速720空心杯有刷電機，全功率運行下能達到45000RPM，為能提供足夠電流驅動電機，選用NMOS 管SI2302設計電機驅動電路，通過STM32F 401CCU6 定時器產生PWM 脈沖控制NMOS的開斷，從而實現對有刷電機的控制[2]。因為在無人機的PID 控制需不斷的使電機處于啟動與衰減模式而在電機處于衰減模式時，即電機從運動到停止狀態，因為電機屬于感性負載，電流是不能發生突變的在斷開電機兩端所加的電壓時，電機產生的反向電動勢很有可能損壞NMOS 管，因此在電機需要停止時，除了斷開外，還需增加一個續流電路，即在NMOS 管旁增加一個續流二極管。電機控制原理圖，如圖7 所示。

圖7 電機控制原理圖

2.4 無線通訊系統

RF24L01 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，nRF24L01 的數據傳輸速率可達1Mbps、2Mbps，4 線SPI 通訊端口，通訊速率最高可達8Mbps，且nRF24L01+接口有IRQ 引腳，用于指示nRF24L01+中斷的狀態，在IRQ 引腳拉低后，程序觸發nRF24L01+中斷，在中斷處理函數中，程序僅置位相應標志，中斷的處理則放置在主函數中[3]。在于與STM32F401CCU6 建立通訊時，不會過多占用CPU，并且可通過軟件設置工作頻率、通訊地址、傳輸速率和數據包長度，方便編輯無人機控制指令集。nRF24L01+接口有IRQ引腳，用于指示nRF24L01+中斷的狀態，在IRQ 引腳拉低后，程序觸發nRF24L01+中斷，在中斷處理函數中，程序僅置位相應標志，中斷的處理則放置在主函數中。無線通信原理圖，如圖8 所示。

圖8 無線通信原理圖

2.5 各子系統布局

無人機的整體布局圍繞輕、小展開，目的是為提升無人機的操控性、可玩性，同時在一定程度上降低整機成本，因此無人機設計過程中將硬件電路板布置為四軸模式[4]，PCB電路板，如圖9 所示。

圖9 PCB 電路板

3 軟件設計

3.1 系統框圖設計

系統上電啟動時，將初始化MPU6050 陀螺儀、BMP280 氣壓傳感器、NRF24L01 通訊模塊，以及MCU內部定時器、ADC，DMP 等。將無人機放平，通過觀察無人機指示燈，檢測NRF24L01 的通訊是否正常，等待MPU6050 與BMP280 的自檢完成，等待無人機遙控發出起飛指令，飛控MCU 接受到指令后，通過MPU6050 發送的角度數據，進行互補濾波后，將數據傳入STM32F401CCU6的FPU 單精度運算單元進行PID 運算，輸出姿態控制量，由MCU 定時器生成PWM 脈沖輸出，控制電機的旋轉，與此同時不斷接受來自遙控器的指令和MPU6050 和BMP280的更新數據，每5ms 進行一次姿態調整，以保證無人機的穩定飛行[4]控制系統框圖，如圖10 所示。

圖10 控制系統框圖

3.2 飛行姿態解算

姿態解算指MCU 讀取自身傳感器數據，實時計算四軸飛行器的姿態角，比如橫滾角（roll），俯仰角（pitch），偏航角（yaw）的信息,一般姿態解算分為硬件解算與軟件解算，硬件解算即使用MPU6050 自帶的數字運動處理器DMP 它可以融合來自陀螺儀、加速度計的數據，并基于硬件電路的處理計算出準確的四元數，處理結果可以從 DMP寄存器讀出，使用DMP 讀取數據雖然簡單，但是無法跟蹤飛行器劇烈的姿態變化，而且有些時候還會出現突變甚至卡死現象[5]。因此我們將選擇使用軟件解算，通過互補濾波算法，分別利用加速度計和陀螺儀的頻率響應優勢，對傳感器測量的原始數據進行互相彌補, 來提高解算的姿態精確度，因為加速度計的靜態特性好，而動態特性差的原因，需對測量得到的數據進行低通濾波，陀螺儀則因存在溫漂和零漂的關系，其在低頻段動態響應特性差，高頻動態響應特性好，需對測量的數進行高通濾波，圖11 是Mahony 互補濾波算法的程序流程圖。

圖11 互補濾波流程圖

3.3 四元數運算

四元數是利用一種超復數的乘法來等效放映姿態變換的方法[6]，相比于歐拉角描述姿態矩陣，后者需要大量的三角函數計算，以及存在奇異點，因此采用四元數表示可較低姿態解算的復雜度，達到實時解算飛行姿態。以下是四元數轉旋轉矩陣：

3.4 串級PID 控制算法

四旋翼無人機是多輸入多輸出的非線性系統，且實際飛行時周圍環境多變，為了達到較好的控制效果，使其能迅速調整，保持一定的穩定性，一般會選擇使用PID 控制算法進行自動控制，PID 算法是一個在工業控制應用中常見的反饋回路部件，由比例單元 P、積分單元 I 和微分單元 D 組成[7]。常見的PID 算法分為單環PID 和串級PID，在無人機實際使用單環PID 控制進行實測時能明顯感覺到動態性能比較差，振蕩較大，阻尼較小，增加D 性能提升有限甚至會導致系統發散，因此我們選用串級PID 作為項目的控制算法，串級PID 相比單環PID 只增加了一個內環，內環的加入相當于增加了系統的阻尼，對于系統的抗干擾性得到了進一步提升。遙控發送期望角度數據，反饋角度來自MPU6050 陀螺儀傳感器，二者的偏差作為外環角度環的輸入，角度環 PID輸出角速度的期望值；角速度期望值減去傳感器反饋的角速度得到角速度偏差值，這個值作為內環角速度環的輸入，角速度環 PID 輸出姿態控制量，控制量轉換為 PWM 去控制電機，從而控制四軸，串級PID 流程圖如圖12 所示。圖13 為部分串級PID 控制程序。

圖12 串級PID 流程圖

圖13 串級PID 控制程序

4 總結

本文采用STM32F4 單片機自主開發四軸無人機，采用自適應的智能控制方法串級PID 控制算法實現飛行器姿態控制。基于STM32F4 開發的四軸無人機，其體積更小，功耗更低且續航時間更長，抗干擾性強，響應快速。未來可通過擴展適用于其他行業，以提升該機型的擴展性。