根据STM32的四旋翼飞行器控制系统

四旋翼飞翔器是一种具有6个自由度和4个操控输入的可笔直起降、悬停、前飞、侧飞和倒飞的无人驾驶飞翔器，4只旋翼可互相抵消反扭力矩，不需求专门的反扭矩桨。被广泛使用于无人侦查、森林防火、灾情监测、城市巡查等范畴。飞翔操控体系是四旋翼飞翔器的中心部分，其功用的好坏决议了整个体系的功用。近年来，微小型四旋翼无人机的自主飞翔操控得到了研讨人员的广泛重视。跟着计算机技能和电子技能的开展，国内的小型飞翔器研讨开发作业逐步升温，许多公司形成了工业。例如大疆公司将四轴飞翔器等多轴飞翔器完结了商业化使用。国内研讨的要点首要为三个方面：姿势操控、传感器技能开展以及新材料的使用、电池范畴技能的研讨。典型代表有哈工大、北京航空航天大学、南京航空航天大学、国防科技大学等。在操控算法上，先进PID操控得到广泛使用。

本文以ARM Cortex-M3架构的STM32C8T6作为飞翔器操控处理器，以MPU-6050作为飞翔器的姿势传感器，以低功耗2.4GHz的nRF24L01作为无线传输器材，以HC-RS04超声波作为障碍物报警传感器规划体系硬件电路。经过试验调试，硬件体系可以安稳、牢靠运转。

1 体系整体结构规划

1.1 物理结构规划

四旋翼飞翔器由一个十字支架和四个螺旋桨组成，支架中心安放飞翔操控处理器及外部设备，四个螺旋桨半径和视点相同，呈左、右、前、后四个方向两两对称摆放。四个电机对称安装在支架端，其间，电机1和电机3逆时针旋转，电机2和电机4顺时针旋转，经过改动四个电机的转速来操控电机的运转状况。其结构方法如图1所示。

1.2 作业原理

四旋翼飞翔器在作业时，是经过电机调速体系对四个电机的转速进行调理，以完结升力的不同改动，然后操控飞翔器的运转状况。飞翔器的电机1和电机3呈逆时针旋转，电机2和电机4呈顺时针旋转，此刻飞翔器的陀螺效应和空气扭矩效应均被抵消，然后确保飞翔器可以平衡安稳的飞翔。经过适当地改动电机的转速，来操控飞翔器的飞翔状况。

1.3 飞翔器操控体系整体体系规划

飞翔操控体系分为地上和机载两部分，其在物理上是互相独自的，在逻辑上是互相相连的。地上部分又分为地上站部分和遥控器部分，这两部分互相独立。整个飞翔操控体系由微操控器模块、无线模块、电机驱动模块、姿势丈量模块、高度丈量模块、报警电路模块、地上站和遥控器等部分组成。体系整体框图如图2所示。

2 体系首要功用模块硬件电路规划

2.1 微操控器模块

本操控体系是一个多输入多输出体系，操控模块的首要输入信号有各个传感器的丈量数据，输出信号为四路变脉宽电机操控信号，需求多个守时/计数器操控信号脉宽。体系需求处理许多传感器传来的数据，而且需求将数据送回地上体系，需求实时操控，响应速度有必要要快。此外，本体系传感器的接口多样化，需求更多样的接口才干便于软件读取。根据这些需求，本规划中飞翔器微处理器模块选用ARM Cortex-M3内核的STM32F103C8T6，它的时钟频率可以到达72MHz，而且具有IIC总线接口、JTAG接口、SPI接口、AD收集接口、多路PWM输出和多个串口，便于多样化传感器的挂接和程序的下载与调试。此微操控器具有8个守时器，关于信号收集和PWM输出均能满意。

2.2 姿势丈量模块

四旋翼飞翔器受电机振荡和外界搅扰影响较大，准确数学模型树立较难，且其载重有限，一般以惯性器材作为姿势丈量设备，姿势丈量部件是整个硬件体系的重要部分。本规划归纳考虑硬件规划准则，选用MPU-6050作为飞翔器的姿势传感器。MPU-6050经过IIC协议接口进行通讯，只需求将MPU-6050的SDA数据线和SCL时钟线与STM32通用I/O口相连接，其电路如图3所示。为了安稳输出，防止闲暇总线开漏，使用R2与R3作为SDA和SCL的上拉电阻，进步总线的负载才能。电路中C9为数字供电电压滤波电容，C8为校准滤波电容，C10为电荷泵电容，C11为供电电压滤波电容。

2.3 无线通讯模块

体系在这三个方面需求无线通讯：首要需求将遥控器的信号经过无线模块发送出去。其次，地上站需求接纳飞控端的姿势数据，并需求发送操控参数。最终，在飞控端需求接纳遥控器和地上站的数据。结合通讯间隔，本钱等要素，本规划选用nRF24L01无线模块器材。其发射电路可以经过LC振荡电路构成。为了便于修理，使用接口将无线模块独立出来。

2.3.1 遥控器模块

本规划选用摇杆操控方法，使用数-模转化器将摇杆的模拟量转化为数字量，再将转化后的数字信号传递给小型操控器，经过必定的数据处理，经过无线发射出去，供飞翔器操控器接纳使用。选用nRF24L01作为遥控器的无线发射器材，为了便于数-模转化，遥控器摇杆选用摇杆电位器，经过收集电位器的电压值去衡量遥控的行程量;因为遥控器处理信号单一，不需求高速的处理器，选用8位的51单片机STC89C52RC作为遥控器的操控器，用来收集摇杆的模拟信号和发送收集到的数据。选用PCF8591作为数据获取器材，其含有4路模拟量输入，1路模拟量输出，归于规范的IIC通讯，可以满意本规划要求。遥控器硬件电路如图4所示。

2.3.2 地上站模块

飞翔器地上站首要完结以下两个方面的功用：(1)在飞翔器安稳飞翔时检测飞翔器的飞翔状况，传递操控参数给飞翔器，使其依照操控算法运转;(2)在飞翔器调试阶段，完结飞翔器PID参数的修正和调整。因为PC机一般留给用户操作的多为USB接口，但是nRF24L01通讯接口为SPI接口，本规划选用51单片机读取nRF24L01的数据，持续由单片机将数据经过USB转串口芯片与PC机通讯，完结地上站数据的传输功用。