基于STM32+MPU6050的小型四旋冀無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

何楓 楊鳳年 何文德

摘要：設(shè)計(jì)了一款基于STM32微控制器和六軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器的小型四旋翼無(wú)人機(jī)。它采用STM32F103C8作為微控制器，利用MPU6050感應(yīng)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)加速度和角速度信息，通過(guò)Wi-Fi通信獲得遙控指令，并結(jié)合串級(jí)PID控制算法，對(duì)姿態(tài)信息進(jìn)行解算，最終生成并輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)速所需的PWM波，使無(wú)人機(jī)穩(wěn)定飛行。

關(guān)鍵詞：四旋翼無(wú)人機(jī);STM32;飛行控制

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）19-0213-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（0SID）：

隨著信息技術(shù)、傳感器技術(shù)和微機(jī)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)的研究已成當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一。若以外形結(jié)構(gòu)來(lái)分類，無(wú)人機(jī)可分為固定翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人直升機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)等類型。而多旋翼無(wú)人機(jī)具有系統(tǒng)安全性好、可靠性高、負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，其中，四旋翼無(wú)人機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操控方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域，其應(yīng)用場(chǎng)景包括如航空測(cè)量、航空施藥、空中攝影、環(huán)境監(jiān)測(cè)、貨物投送、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)搜救、電力石油基礎(chǔ)設(shè)施巡檢等領(lǐng)域。

1 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)翼與飛行方向的相對(duì)布局方式的不同，四旋翼無(wú)人機(jī)可分為十字型和X型兩種模式。十字型無(wú)人機(jī)的機(jī)頭方向指向某個(gè)旋翼，而X型無(wú)人機(jī)的機(jī)頭方向則指向兩個(gè)旋翼的正中間。十字型無(wú)人機(jī)因其機(jī)頭方向明確，飛行控制相對(duì)簡(jiǎn)單;X型無(wú)人機(jī)三軸的姿態(tài)調(diào)整至少需要操控兩個(gè)電機(jī)，因此操作更為快速靈活，適合特技飛行，也便于擴(kuò)展功能。因此，本文采用X型四旋翼無(wú)人機(jī)方案。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)和遙控器兩部分組成，用戶利用手機(jī)APP通過(guò)Wi-Fi無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程控制，無(wú)須配備專用遙控器，在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，打開智能手機(jī)上的專用遙控APP，可對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行遙控。Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)一樣，同屬于短距離無(wú)線技術(shù)，與藍(lán)牙技術(shù)相比，它具備更高的傳輸速率，更遠(yuǎn)的傳播距離，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于筆記本、手機(jī)、汽車等廣大領(lǐng)域中，因此，相對(duì)于藍(lán)牙通信，利用Wi-Fi無(wú)線通信遙控?zé)o人機(jī)，具有更快的響應(yīng)速度和更遠(yuǎn)的控制距離。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)主要包括智能手機(jī)遙控APP軟件和無(wú)人機(jī)軟硬件研發(fā)，而無(wú)人機(jī)的飛控系統(tǒng)的研發(fā)是本文的研究重點(diǎn)。

2 無(wú)人機(jī)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)的硬件由STM32微控制器、直流電機(jī)、六軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器MPU6050.Wi-Fi模塊ATK-ESP8266和鋰電池及其電源管理模塊等硬件組成，其基本硬件架構(gòu)（略去電源管理模塊）如圖1所示。

作為飛控系統(tǒng)的核心處理器，基于ARM Cortex M3內(nèi)核的32位微控制器STM32F103C8的工作主頻高達(dá)72MHz，可滿足快速解算四旋翼無(wú)人機(jī)姿態(tài)和位置信息的功能需求。其自帶多個(gè)nc、SPI和UART高速通信接口，方便與其他模塊進(jìn)行通信，并集成多個(gè)時(shí)鐘定時(shí)器，能輸出多路PWM波便于控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

MPU6050為6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器，它集成了3軸MEMS陀螺儀和3軸加速度計(jì)，用于采集無(wú)人機(jī)姿態(tài)信息，微控制器通過(guò)nc接口與MPU6050進(jìn)行信息交互。四旋翼無(wú)人機(jī)具有6個(gè)自由度，包括沿3個(gè)坐標(biāo)軸方向的線運(yùn)動(dòng)和沿3個(gè)坐標(biāo)軸方向的角運(yùn)動(dòng)，這些姿態(tài)信息可通過(guò)MPU6050采集得到。陀螺儀通過(guò)測(cè)量無(wú)人機(jī)的角速率、積分得到飛行姿態(tài)角來(lái)描述無(wú)人機(jī)的角運(yùn)動(dòng)。加速度計(jì)通過(guò)測(cè)量無(wú)人機(jī)軸向受力得到無(wú)人機(jī)3個(gè)軸向的加速度，通過(guò)積分得到飛行速度與距離來(lái)描述無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

有刷電機(jī)具有啟動(dòng)快、制動(dòng)及時(shí)、扭矩大、控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而無(wú)刷電機(jī)多用于尺寸偏大的飛機(jī)，它無(wú)法單獨(dú)使用，需經(jīng)無(wú)刷直流電調(diào)驅(qū)動(dòng)后，才能通過(guò)控制PWM波占空比來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速?？招谋姍C(jī)常用在尺寸非常小的飛機(jī)上，或者用于打舵的舵機(jī)上，因本文設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)要求體積小重量輕，所以采用了規(guī)格為720的空心杯有刷電機(jī)，配備55mm葉片。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 串口通信模塊

系統(tǒng)使用了兩個(gè)串口：一是利用USART1作為微控制器與PC端調(diào)試用的串口;二是利用USART2作為微控制器通過(guò)Wi-Fi模塊與手機(jī)端的通信接口，實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)上遙控APP與無(wú)人機(jī)之間的信息交互。

首先將兩個(gè)串口的初始化，配置相應(yīng)的GPIO引腳。再實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)函數(shù)：

uint16_t USART_ReceiveData（USART_TypeDef* USARTx），用來(lái)從指定的串口中接收一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)返回值返回。

void USART_SendData（USART_TypeDef* USARTx， uint16_tData），用來(lái)向指定串口發(fā)送1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，USARTx指定串口編號(hào)，Data為要發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)。

void USART_OUT（USART_TypeDef* USARTx， char *Data-Addr），用來(lái)實(shí)現(xiàn)一連串字符的發(fā)送，USARTx指定串口編號(hào)，DataAddr為要發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)地址。

利用一是3個(gè)函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)串口通信中的數(shù)據(jù)收發(fā)。

3.2 PWM模塊

PWM模塊實(shí)現(xiàn)通過(guò)控制定時(shí)器輸出PWM信號(hào)來(lái)控制4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。PWM輸出相關(guān)的定時(shí)器配置步驟如下：

（1）配置定時(shí)器輸出通道對(duì)應(yīng)的CPIO引腳。

（2）配置定時(shí)器的時(shí)基單元。

（3）配置定時(shí)器的輸出比較器。

（4）使能自動(dòng)重載計(jì)數(shù)和自動(dòng)重載比較值。

（5）開啟定時(shí)器。

最后編寫函數(shù)void Motor_SetPwm（int16_t PWMI，int16_tPWM2，int16_t PWM3，int16_t PWM4），用來(lái)將PWM信號(hào)傳送給電機(jī)。

3.3 PID控制

四旋翼無(wú)人機(jī)是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)。想要改變其飛行動(dòng)作，只需改變電機(jī)轉(zhuǎn)速差即可，而要改變無(wú)人機(jī)的位置，則需要改變電機(jī)的總升力與無(wú)人機(jī)的姿態(tài)才能實(shí)現(xiàn)。因此將飛行控制系統(tǒng)分成姿態(tài)控制系統(tǒng)與位置控制系統(tǒng)。角度單環(huán)PID控制算法僅僅考慮了飛行器的角度信息，如果想增加飛行器的穩(wěn)定性并提高控制精度，必須控制其角速度，于是就形成了角度/角速度串級(jí)PID控制算法，如圖2所示。

期望角度來(lái)自遙控器，反饋角度來(lái)自傳感器，二者的偏差作為角度環(huán)的輸入，角度環(huán)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，該值作為角速度環(huán)的輸入，角速度環(huán)PID輸出姿態(tài)控制量，并將其轉(zhuǎn)換為4路PWM波，去控制四個(gè)電機(jī)，從而控制無(wú)人機(jī)的四軸。

3.4飛控系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)啟動(dòng)與硬件初始化完成后，首先獲取實(shí)時(shí)的三軸加速度和三軸角速度，然后從遙控器接收期望值，并通過(guò)PID算法得出各個(gè)電機(jī)的調(diào)整量，將調(diào)整量轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)傳送給四個(gè)電機(jī)，調(diào)整它們的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)控制整個(gè)系統(tǒng)的飛行姿態(tài)。

本文的微控制器STM32F103C8為裸機(jī)工作模式，具體主程序工作流程如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，無(wú)人機(jī)的LED指示燈開始閃爍，鋰電池為無(wú)人機(jī)續(xù)航提供動(dòng)力。STM32F103C8獲取來(lái)自MPU6050傳感器的值，結(jié)合通過(guò)遙控器發(fā)送過(guò)來(lái)的期望值，再通過(guò)相關(guān)算法計(jì)算出控制電機(jī)所需的PWM信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)位置和姿態(tài)的變化。此外，主程序要單獨(dú)開啟一個(gè)線程，用來(lái)讀取從MPU6050傳感器上獲得的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)和通過(guò)Wi-Fi接收的遙控指令。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款基于STM32微控制器和運(yùn)動(dòng)處理傳感器的X型小型四旋翼無(wú)人機(jī)。硬件部分包括微控制器STM32F103C8、6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器MPU6050、Wi-Fi模塊ATK-ESP8266、720規(guī)格空心杯有刷電機(jī)、鋰電池及電源管理模塊等。軟件設(shè)計(jì)方面，STM32F103C8采用裸機(jī)工作模式，程序主要由主程序、串口通信模塊、PIC控制模塊、nc通信模塊和PWM模塊等部分組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該無(wú)人機(jī)能通過(guò)手機(jī)APP遙控使其較穩(wěn)定飛行。但是由于受到電池容量和所采用無(wú)線通信技術(shù)等因素的影響，無(wú)人機(jī)的飛行高度和飛行距離受到了較大限制，因此，增加無(wú)人機(jī)載荷能力使其功能更強(qiáng)，飛得更高更遠(yuǎn)將是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)下一步的工作目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】

收稿日期：2020-03-25

作者簡(jiǎn)介：何楓（1991-），男，湖南常德人，工程師，本科，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)、智能家居。