基于STM32的四旋翼飞行器设计

第十一届中国研究生电子设计竞赛技术论文论文题目：基于stm32的四旋翼飞行器设计DesignofQuadrotorAircraftBasedonSTM32参赛单位：南京信息工程大学队伍名称：weare伐木累指导老师：行鸿雁参赛队员：张兰戴学飞钱坤完成时间：2016.6.18四轴飞行器是一种结构紧凑、飞行方式独特的垂直起降式飞行器，与普通飞行器相比，具有结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大升力等优点，所以在军事和民用多个领域都有广阔的应用前景，非常适合在狭小空间内执行任务。本设计采用stm32f103zet6作为主控芯片，3轴加速度传感器mpu6050作为惯性测量单元，通过2.4G无线模块和遥控板进行通信，最终使用PID控制算法以PWM方式控制电子调速器驱动电机实现了四轴飞行器的设计。关键词：四轴飞行器，stm32;mpu6050,2.4G无线模块.PID.PWMAbstractQuadrocopterhasbroadapplicationprospectintheareaofmilitaryandcivilianbecauseofitsadvantagesofsimplestructure.Smallsize,lowfailurerate,takingoffandlandingertically.etc.itissuitableforhavingtaskinnarrowspace.ThisdesignusesSTM32f103zet6asthemasterchip,andtriaxialaccelerometermpu6050inertialmeasurementunit,via2.4Gwirelessmoduleandremotecontrolpanelforcommunication.Finallyusingpidcontrolalgorithmwithpwmdrivestheelectronicspeedcontrollertochangemototorealizethedesignofquadrocopter.Keyword:quadrocopter,stm32,mpu6050,2.4Gwirelessmodule;pid;pwm目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章作品难点与创新 1\o"CurrentDocument"作品难点 1\o"CurrentDocument"创新点 1\o"CurrentDocument"第二章方案论证与设计 2\o"CurrentDocument"飞控部分硬件框图 2\o"CurrentDocument"遥控器部分硬件框图 2\o"CurrentDocument"各部分元器件介绍 3stm32介绍 3.2电子调速器 4mpu6050六轴传感器 5无线通信NRF24L01 6\o"CurrentDocument"第三章原理分析与硬件电路图 8\o"CurrentDocument"飞行器空气动力学分析 8\o"CurrentDocument"飞控部分硬件电路图设计 10\o"CurrentDocument"遥控部分硬件电路图设计 10\o"CurrentDocument"第四章软件设计与流程 11\o"CurrentDocument"pid算法分析 11\o"CurrentDocument"串级pid系数的整定 12\o"CurrentDocument"串级pid系统框图 13飞控部分程序设计 14遥控部分程序设计 14\o"CurrentDocument"第五章系统测试与误差分析 15\o"CurrentDocument"第六章总结 19\o"CurrentDocument"参考文献 21第一章作品难点与创新作品难点对于一种芯片，最麻烦的就是底层的驱动了，很多驱动得自己编写，为了最大发挥处理器的性能，做了很多驱动优化，将不必要的延时降到最低，比如I2C总线驱动，官方的代码不符合自己的要求，通信效率低，我们花了几天的时间去优化这个驱动，使用了模拟的IIC接口，最后在保证稳定性的前提下，速度提高了一倍。这个设计遇到的最大问题就是怎样保持飞行器的平衡。开始的时候，我们以为很简单，不就是简单的闭环控制么，随着深入研究和实验，发现有些东西已经不能用我现有的知识来解答了，比如姿态的解算。我想姿态解算也是这个项目的难点，怎样时时刻刻都准确的跟踪到飞行器的姿态。很多人都知道使用加速度和陀螺仪检测物体的姿态，很多手机就有这些传感器，但是这两传感器在飞行器上貌似水土不服，陀螺仪随时间推移漂移了，加速度计由于电机的高速运转震动基本上处于半瞎状态。所以我们使用了串级pid算法，并且优化了串级pid算法，使得在只用一个mpu6050的情况下，可以实现稳定的飞行，并且在飞行20层楼层的高度时可以飞出定高的效果。调试过程中，采用无线通信芯片nrf24l01和stm32单片机作为控制端，同时用匿名四轴上位机显示状态。创新点设计的创新点有两个，一是在于遥控器的控制方面，传统的飞行器控制飞行在于通过遥杆控制，通过对遥杆的物理操作实现飞机的左右前后飞行，我们则采用感应式姿态控制，通过遥控器上板载的山口口6050，去跟踪手的姿势，然后将手的物理动作对应到相应的角度，发送给飞控部分，飞控部分将接受到的信号作为期望的角度，实现飞行器的左右前后飞行。本次设计的第二个创新点在于优化pid算法，单纯的pid算法是不足以控制动力如此大的大四轴，再加上只有一个六轴传感器mpu6050是不足以控制好大四轴的，通常市面上的飞行器姿态测量这方面会用到多个传感器，以实现飞行器姿态的跟踪。但是我们只用了一个六轴传感器mpu6050就可以做到非常稳定的飞行，主要原因在于对算法的优化。第二章方案论证与设计本次设计选择的材料如下：主控芯片：STM32F103ZET6无线通信：NRF24L01传感器：MPU6050六轴传感器遥控主芯片：STM32F407ZGT6机架的型号：F450,重量282克。电机轴距450mm，螺旋桨采用1045型。电机则采用银燕MT-2216，810KV无刷电机，最高转速2极马达210000转/分钟，重量：37g。电调为好盈20A电子调速器，持续电流30A，短时电流40A。电池则采用了2200mah锂电池。2.1飞控部分硬件框图图2-1从图中可以看出，STM32是电路的核心，它受5V电源控制，它负责和mpu6050，nrf24l01进行通信，处理数据，输出pwm信号给电子调速器，以得到控制电机的转速，实现飞行姿态的调整。2.2遥控器部分硬件框图图2-2遥控部分STM32F407ZGT6作为主要芯片，nrf24101f负责和飞控部分无线通信，遥杆主要控制油门大小，mpu6050负责跟踪手的姿势。2.3各部分元器件介绍本次设计主要的工作在于程序的编写，所以就需要对所需要的主芯片和各个模块有一个详细的了解，接下来给大家介绍下我们所用的芯片口和模块介绍。2.3.1stm32介绍内核：ARM32位的Cortex-M3，最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHZ（DhrystONe2.1）单周期乘法和硬件除法。存储器：从32K到512K字节的闪存程序存储器（STM32F103XXXX中的第二个X表示FLASH容量，其中：“4”=16K，“6”=32K，“8”=64K，B=128K，C=256K，D=384K，E=512K），最大64K字节的SRAM。电源管理：2.0-3.6V供电和I/O引脚，上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器（PVD），4-16MHZ晶振振荡器，内嵌经出厂调教的8MHz的RC振荡器，内嵌带校准的40KHz的RC振荡器，产生CPU时钟的PLL，带校准的32KHz的RC振荡器低功耗：睡眠、停机和待机模式，Vbat为RTC和后备寄存器供电。模数转换器：2个12位模数转换器，1us转换时间（多达16个输入通道），转换范围：0至3.6V，双采样和保持功能，温度传感器。

DMA：2个DMA控制器，共12个DMA通道：DMA1有7个通道，DMA2有5个通道。支持的外设：定时器、ADC、SPI、USB、IIC和UART,多达112个快速I/O端口（仅Z系列有超过100个引脚），26/37/51/80/112个I/O口，所有I/O口一块映像到16个外部中断；几乎所有的端口均可容忍5V信号。调试模式：串行单线调试（SWD）和JTAG接口，多达8个定时器，3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入，1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器，2个看门狗定时器（独立的和窗口型的），系统时间定时器：24位自减型计数器。多达9个通信接口：2个I2C接口（支持SMBus/PMBus），3个USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制），2个SPI接口（18M位/秒），CAN接口（2.0B主动），USB2.0全速接口。计算单元：CRC计算单元，96位的新批唯一代码。封装：ECOPACK封装。BOOTOOSC1N/PLX)n机「OUTYPniPAiGPAHPAi2FAB/JTNtS.^WDIOBOOTOOSC1N/PLX)n机「OUTYPniPAiGPAHPAi2FAB/JTNtS.^WDIOPA]4.-JTCK..JS\VCLKPAi5/JTDINRSTV13ATVDD1VDD-2VDD23VDDAPWM广WN12PWM4VSSVSS'2VSS二3VSSAPCB-lAMPER-KrCPC14OSC32INVSSVSS'2VSS二3VSSAPCB-lAMPER-KrCPC14OSC32INPCI5-OSC5：OUTIaIRQ内包众T2.3.2电子调速器电调全称电子调速器，英文ElectronicSpeedControl,简称ESC。针对电机不同，可分为有刷电调和无刷电调。它根据控制信号调节电动机的转速。本文采用好盈电调20A。对于它们的连接，一般情况下是这样的：1、电调的输入线与电池连接；2、电调的输出线(有刷两根、无刷三根)与电机连接；3、电调的信号线与接收机连接；另外，电调一般有电源输出功能，即在信号线的正负极之间，有5丫左右的电压输出，通过信号线为接收机供电，接收机再为舵机等控制设备供电。电调的输出为三〜四个舵机供电是没问题的。因此，电动的飞机，一般都不需要单独为接收机供电，除非舵机很多或对接收机电源有很高的要求。mpu6050六轴传感器MPU6050是InvenSense公司推出的全球首款整合性6轴运动处理组件，内带3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，并且含有一个第二1式接口，可用于连接外部磁力传感器，利用自带数字运动处理器(DMP：DigitalMotionProcessor)硬件加速引擎，通过主IIC接口，可以向应用端输出完整的9轴姿态融合演算数据。有了DMP,我们可以使用InvenSense公司提供的运动处理资料库，非常方便的实现姿态解算，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，同时大大降低了开发难度。DMP是InvenSense公司的MPU器件独特的硬件功能，它能够直接从传感器读出计算好的四元数的数据，获取设备的姿态。DMP功能保存在主处理机的易失性内存中，若需要使用DMP功能，则每次芯片上电后都需要初始化。DMP程序库项目中提供的示例应用程序中给出了更新映像和初始化DMP功能的一系列步骤。加载并启用DMP功能的步骤包括：(1)通过函数dmp_load_motion_driver_firmware()把DMP载入MPU内存。(2)通过dmp_set_orientation()函数更新定位矩(3)当DMP检测到运动或撞击时会触发DMP回调功能。(4)通过函数dmp_enable_feature()启用DMP功能。四旋翼飞行器运用姿态解算计算出空间三轴欧拉角。MPU6050与MCU连接方式如图2-4所示，陀螺仪采样三轴角速度值，加速度传感器采样三轴加速度值，而磁力传感器采样得到三轴地磁场值，将陀螺仪、加速度传感器、磁力传感器采样后的数据进行标定、滤波、校正后得到三轴欧拉角度，其中陀螺仪和加速度传感器选用MPU6050芯片，采用IIC总线与主控板通信。

MPU6050位ape伯400kHzI2CMPU6050位ape伯400kHzI2C图2-4无线通信NRF24L01NRF24L01是NORDIC公司生产的一款无线通信通信芯片，采用FSK调制，集成NORDIC自家的EnhancedShortBurst协议。可以实现点对点或是1对6的无线通信。无线通信速度最高可达到2Mbps。NRF24L01采用SPI通信，可以很方便的连接到MCU上面。①2.4G全球开放的ISM频段，免许可证使用。②最高工作速率2Mbps，高校的GFSK调制，抗干扰能力强。③126个可选的频道，满足多点通信和调频通信的需要。④内置CRC检错和点对多点的通信地址控制。⑤可设置自动应答，确保数据可靠传输。NRF24L01模块介绍图2-5CE：模式控制线。在CSN为低的情况下，CE协同CONFIG寄存器共同决定NRF24L01的状态（参照NRF24L01的状态机）CSN：SPI片选线SCK：SPI时钟线MOSI：SPI数据线（主机输出，从机输入）MISO：SPI数据线（主机输入，从机输出）IRQ：中断信号线。中断时变为低电平，在以下三种情况变低：TxFIFO发完并且收到ACK（使能ACK情况下）、RxFIFO收到数据、达到最大重发次数。第三章原理分析与硬件电路图3.1飞行器空气动力学分析四旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。结构形式如图3.1所示。图3-1四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。四旋翼飞行器的电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。图3-2在图3-2中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降。俯仰运动：在图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降（改变量大小应相等），电机2、电机4的转速保持不变。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转，同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。（3）滚转运动：与图b的原理相同，在图c中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。（4）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。当电机2和电机4的转速下降时，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动。（5）前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图e中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。（6）倾向运动：在图f中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。图图#-44.3.1飞控部分程序设计MPU605O外工大用理回口内环地速吃PI口PWM亩出DMVjj性:|1前姿上fla废NFW4L01强%来门遥押也分期盟一度初始化MRF24U01WPU6050.OMP??□flfij'ErtCPEKUC2丸门图4-34.3.2遥控部分程序设计第五章系统测试与误差分析PID调试一般原则1）在输出不振荡时，增大比例增益P2）在输出不振荡时（能消除静态误差就行），减小积分时间常数Ti3）在输出不振荡时，增大微分时间常数Tdmatlab仿真模拟测试pid参数B10

B10PI调节（TI小，响应速度快，超调大，系统震荡加剧）Kp=Q7,Ti=r5PIKp=Q7,Ti=r5PI调节（在同样积分常数Ti下，减小比例增益Kp可减小广g7.Ti=O5超调，增加系统的稳定性）7 ■ .7,Td=CL3PD调节（引入微分项，提高了响应速度，增加了系统的稳定性但不能消除系统的余差）

PID调节（PD基础上I作用的引入消除了余差，达到了理想的多项性能指标要求：超调、上升时间、调节时间、余差等）心得在整定PID参数时，PIDm个参数的大小都不是绝对的，而是相对的。也就是说，如果发现一个参数比较合适，就把这个参数固定死，不管别的参数怎么变化，永远不动前面固定的参数。这是要不得的。串级调节系统，在整定参数时，一般把主、副调隔离开来，先整定一个回路，再全面考虑。一般而言，先整定内回路。把PID参数隔离开来，先去掉积分、微分作用，让系统变为纯比例调节方式，再考虑积分，最后考虑微。图图6-1第六章总结首先，为了让四轴平稳的悬停或飞行在半空中，四个电机必须提供准确的力矩-＞假设力矩与电机PWM输出呈线性关系，也就是必须提供准确的4路PWM-＞4路PWM由遥控器输入（期望角度）、PID算法及其参数和姿态解算输出（当前角度）组成，假设遥控器输入不变（类似脱控）、PID算法及其参数也较为准确（PID参数无需十分精确，但只要在某个合理的范围内，控制品质差不了多少），也就是姿态解算的输出必须是十分准确的，可以真实反应飞行器的实际角度-＞姿态解算的结果由加速度计和陀螺仪给出，根据前述惯性导航的描述，加速度计补偿陀螺仪，因此要得到精确的姿态解算结果，务必要求加速度输出精确的重力加速度g-＞这里仅讨论悬停飞行，因此忽略掉额外的线性加速度（事实证明，在四轴强机动飞行过程中，线性加速度必须要考虑并消除），假设加速度计输出重力加速度g，这个重力加速度g必须十分“精确”。总结一下：精准力矩-＞精准PWM-＞精准姿态-＞加速度计输出“精确”重力加速度g。这里的“精确”打了引号，意思不是说加速度的性能十分好，要输出精确的当地加速度g，而是说它能够准确反应机架的角度。为了达到悬停、平稳的飞行效果，控制算法输出的PWM会让加速度计输出的重力加速度g在XOY平面内的分量就可能少，也就是说：PID控制算法控制的不是机架水平，而是加速度计水平，PID不知道机架是什么东西，它只认加速度计，它的使命就是让加速度计水平。我现在假设加速度计与机架存在某个角度，比如右倾30°，四轴主视图如图6-1所示。四轴机架水平面X速度计起飞后水平面四轴移动方向四轴机架水平面X速度计起飞后水平面四轴移动方向加速度计加速度计（红线）与四轴机架的水平面（虚线）呈30°。起飞后，PID控制算法会尝试将加速度计调整至水平位置，因此四轴就会往图中左边飘，倾斜角度也为30°这就是为什么飞机无法垂直起飞，或者飞行过程中往一个方向飘的原因：加速度计和机架没有水平。因此在加速度计的机械安装时，尽量保证加速度计与机架水平。如果有些朋友已经将加速度计固定在飞控板上，可以通过遥控器的通道微调功能设置悬停时的期望角度，软件上校正这种机械不水平。除了上述讨论的加速度计安装水平问