基于STM32+MPU6050的小型四旋冀無人機設(shè)計

何楓 楊鳳年 何文德

摘要：設(shè)計了一款基于STM32微控制器和六軸運動處理傳感器的小型四旋翼無人機。它采用STM32F103C8作為微控制器，利用MPU6050感應(yīng)無人機的實時加速度和角速度信息，通過Wi-Fi通信獲得遙控指令，并結(jié)合串級PID控制算法，對姿態(tài)信息進行解算，最終生成并輸出控制電機轉(zhuǎn)速所需的PWM波，使無人機穩(wěn)定飛行。

關(guān)鍵詞：四旋翼無人機;STM32;飛行控制

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0213-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（0SID）：

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

1 總體方案設(shè)計

根據(jù)機翼與飛行方向的相對布局方式的不同，四旋翼無人機可分為十字型和X型兩種模式。十字型無人機的機頭方向指向某個旋翼，而X型無人機的機頭方向則指向兩個旋翼的正中間。十字型無人機因其機頭方向明確，飛行控制相對簡單;X型無人機三軸的姿態(tài)調(diào)整至少需要操控兩個電機，因此操作更為快速靈活，適合特技飛行，也便于擴展功能。因此，本文采用X型四旋翼無人機方案。

無人機系統(tǒng)由無人機和遙控器兩部分組成，用戶利用手機APP通過Wi-Fi無線通信實現(xiàn)對無人機的遠(yuǎn)程控制，無須配備專用遙控器，在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，打開智能手機上的專用遙控APP，可對無人機進行遙控。Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)一樣，同屬于短距離無線技術(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、汽車等廣大領(lǐng)域中，因此，相對于藍(lán)牙通信，利用Wi-Fi無線通信遙控?zé)o人機，具有更快的響應(yīng)速度和更遠(yuǎn)的控制距離。無人機系統(tǒng)的研發(fā)主要包括智能手機遙控APP軟件和無人機軟硬件研發(fā)，而無人機的飛控系統(tǒng)的研發(fā)是本文的研究重點。

2 無人機硬件設(shè)計

無人機的硬件由STM32微控制器、直流電機、六軸運動處理傳感器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人機姿態(tài)和位置信息的功能需求。其自帶多個nc、SPI和UART高速通信接口，方便與其他模塊進行通信，并集成多個時鐘定時器，能輸出多路PWM波便于控制四個電機的轉(zhuǎn)速。

MPU6050為6軸運動處理傳感器，它集成了3軸MEMS陀螺儀和3軸加速度計，用于采集無人機姿態(tài)信息，微控制器通過nc接口與MPU6050進行信息交互。四旋翼無人機具有6個自由度，包括沿3個坐標(biāo)軸方向的線運動和沿3個坐標(biāo)軸方向的角運動，這些姿態(tài)信息可通過MPU6050采集得到。陀螺儀通過測量無人機的角速率、積分得到飛行姿態(tài)角來描述無人機的角運動。加速度計通過測量無人機軸向受力得到無人機3個軸向的加速度，通過積分得到飛行速度與距離來描述無人機的運動。

有刷電機具有啟動快、制動及時、扭矩大、控制電路相對簡單等優(yōu)點，而無刷電機多用于尺寸偏大的飛機，它無法單獨使用，需經(jīng)無刷直流電調(diào)驅(qū)動后，才能通過控制PWM波占空比來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速?？招谋姍C常用在尺寸非常小的飛機上，或者用于打舵的舵機上，因本文設(shè)計的無人機要求體積小重量輕，所以采用了規(guī)格為720的空心杯有刷電機，配備55mm葉片。

3 軟件設(shè)計

3.1 串口通信模塊

系統(tǒng)使用了兩個串口：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Wi-Fi模塊與手機端的通信接口，實現(xiàn)智能手機上遙控APP與無人機之間的信息交互。

首先將兩個串口的初始化，配置相應(yīng)的GPIO引腳。再實現(xiàn)以下3個函數(shù)：

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

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

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

利用一是3個函數(shù)即可實現(xiàn)串口通信中的數(shù)據(jù)收發(fā)。

3.2 PWM模塊

PWM模塊實現(xiàn)通過控制定時器輸出PWM信號來控制4個電機的轉(zhuǎn)速。PWM輸出相關(guān)的定時器配置步驟如下：

（1）配置定時器輸出通道對應(yīng)的CPIO引腳。

（2）配置定時器的時基單元。

（3）配置定時器的輸出比較器。

（4）使能自動重載計數(shù)和自動重載比較值。

（5）開啟定時器。

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

3.3 PID控制

四旋翼無人機是一個欠驅(qū)動、強耦合的非線性系統(tǒng)。想要改變其飛行動作，只需改變電機轉(zhuǎn)速差即可，而要改變無人機的位置，則需要改變電機的總升力與無人機的姿態(tài)才能實現(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PID控制算法，如圖2所示。

期望角度來自遙控器，反饋角度來自傳感器，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，去控制四個電機，從而控制無人機的四軸。

3.4飛控系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)啟動與硬件初始化完成后，首先獲取實時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PID算法得出各個電機的調(diào)整量，將調(diào)整量轉(zhuǎn)換成PWM信號傳送給四個電機，調(diào)整它們的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)控制整個系統(tǒng)的飛行姿態(tài)。

本文的微控制器STM32F103C8為裸機工作模式，具體主程序工作流程如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)啟動后，無人機的LED指示燈開始閃爍，鋰電池為無人機續(xù)航提供動力。STM32F103C8獲取來自MPU6050傳感器的值，結(jié)合通過遙控器發(fā)送過來的期望值，再通過相關(guān)算法計算出控制電機所需的PWM信號控制電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無人機位置和姿態(tài)的變化。此外，主程序要單獨開啟一個線程，用來讀取從MPU6050傳感器上獲得的實時姿態(tài)數(shù)據(jù)和通過Wi-Fi接收的遙控指令。

4 結(jié)論

設(shè)計了一款基于STM32微控制器和運動處理傳感器的X型小型四旋翼無人機。硬件部分包括微控制器STM32F103C8、6軸運動處理傳感器MPU6050、Wi-Fi模塊ATK-ESP8266、720規(guī)格空心杯有刷電機、鋰電池及電源管理模塊等。軟件設(shè)計方面，STM32F103C8采用裸機工作模式，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。實驗結(jié)果表明，該無人機能通過手機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線通信技術(shù)等因素的影響，無人機的飛行高度和飛行距離受到了較大限制，因此，增加無人機載荷能力使其功能更強，飛得更高更遠(yuǎn)將是設(shè)計團隊下一步的工作目標(biāo)。

參考文獻：

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[2]王照兵，石佩玉，李凱，等.基于嵌入式開發(fā)的小型四旋翼無人機系統(tǒng)設(shè)計[J].通訊世界，2019，026（009）：210-211.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】

收稿日期：2020-03-25

作者簡介：何楓（1991-），男，湖南常德人，工程師，本科，研究方向為智能電網(wǎng)、智能家居。