基于STM32的四旋翼无人机项目（一）：基础知识篇_业界新闻

发布时间:2024-08-04 12:50

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前言：本篇博客为飞控专栏的第一篇系统性概述文章，将对飞控系统进行详细讲解介绍。考虑到飞控项目具有一定工程复杂度，所以作者将整个项目进行分章节教学与讲解，希望可以给读者朋友带来更好地学习体验。项目将以 C-Quad 四轴无人机为工程样机，飞行器主控为 STM32F103C8T6，遥控为 STM32F103C6T6。项目代码为 HAL 库版本，该项目博客将把算法与硬件相结合，深入挖掘飞控的奥妙与原理。（代码开源！）

硬件实物图：

效果图：

一、飞控概述

飞控即无人机飞行控制器，可理解为飞行器的大脑，其核心是微控制器MCU。微控制器基于外部传感器（如姿态传感器，气压传感器，GPS，光流等）返回的数据，经过一系列处理与融合后，控制无人机的飞行姿态。飞控的种类有很多，常见的有：四旋翼、六旋翼和八旋翼无人机等（本项目专栏为四旋翼无人机项目）。

四旋翼无人机又叫做四轴飞行器，是一种小型的智能化产品。随着自动控制技术的更新换代以及人工智能广泛应用，使得无人机更加贴近人们的生活。其中，四旋翼无人机由于其价格低廉，结构稳定，性能优越，易于控制的特点而被广泛使用。

二、飞控相关知识点

2.1 pitch、yaw、roll角度

飞行器在飞行过程中有个重要的指标：飞行姿态。飞行姿态则涉及到如下欧拉角：pitch（俯仰角）、yaw（偏航角）、roll（横滚角）。

特别说明：飞机的坐标轴体系和AR眼镜是不一样的，指向机头的是X轴，指向右机翼的是Y轴，垂直向上的是Z轴（建议大家别人云亦云，多去参考正规性学术论文）。

pitch()：俯仰，将物体绕Y轴旋转（localRotationY）

yaw()：航向，将物体绕Z轴旋转（localRotationZ）

roll()：横滚，将物体绕X轴旋转（localRotationX）

2.2 遥控知识点

飞行器通常都是需要设计配套遥控器的。当然，可以使用手机APP适配之后操作，也可以制作一个遥控手柄。本项目中四旋翼飞行器与遥控手柄通过 NRF24L01 2.4G 模块进行通讯。

油门：飞控的设计制作过程中，都会设计到一个关键词汇 “油门(throttle)” ，油门方向的遥感不具备自动回调的特性，通过油门方向的遥感控制飞行器的飞行高度。

解锁：高速旋转的机翼通常都具有一定的杀伤能力，为了防止简单误触造成飞行器意外起飞等情况。飞控的设计中存在锁门的这个概念，即：需要解锁操作，之后才能正常控制飞控。不同的遥控手柄的解锁方式往往不同，比较常见的解锁有： “外八字” 解锁和 “下上下” 油门解锁等。

上锁：飞行器飞行过程中难免可能出现意外情况，这个时候可以使用上锁操作强制锁定机翼转动。上锁方式同样根据实际情况设计。

三、四旋翼无人机飞行原理

四旋翼无人机主要分 “×” 型和 “＋” 型两种，两种无人机的主要区别在于机头方向的选择。四旋翼无人机的简化结构如下图所示，无刷电机转动带动四个桨叶高速旋转产生向上的升力作用于无人机，当推动遥控器的油门使升力逐渐超过无人机自身重力时，四旋翼无人机便能够起飞升空，控制器发出的指令不断改变无人机的电机转速，就可以使无人机切换到不同的运动模式。考虑到“×” 型四旋翼无人机机动性更好，故本项目将采用 “×” 型四旋翼无人机设计。

本项目以 “×” 型飞行器为设计标准，故后续以 “×” 型飞行器的运动控制学进行分析，该类型飞行器结构图如下：

为了方便描述，将四旋翼无人机的四个电机分别编号为：Motor1、Motor3、Motor2、Motor4。Motor1和 Motor3电机逆时针进行旋转，从而可以产生逆时针方向的扭矩，Motor2和 Motor4电机顺时针进行旋转，从而可以产生顺时针方向的扭矩。如此，四个旋翼旋转所产生的扭矩便可相互抵消。当四个旋翼具有相同的转速，产生的上升合力正好与自身重力相等，则飞行器将进入悬停状态！

3.1 垂直运动

如上图所示，在保证四旋翼无人机每个旋翼转速大小相同（产生的总扭矩为零），对每个旋翼增加/减小大小相同的转速，便可实现无人机的垂直上升/下降运动。

旋翼总升力>无人机重力，垂直上升；
旋翼总升力<无人机重力，垂直下降。

3.2 俯仰运动

将电机Motor1、Motor4的转速减小或者将Motor2、Motor3增加时，四旋翼会产生向前上方的力，使四旋翼向前飞行。反之，如果将Motor1、Motor4的转速增加或者将Motor2、Motor3减小时，四旋翼会产生向后上方的力，使四旋翼向后飞行。

3.3 滚转运动

将电机Motor1、Motor2的转速增加或者将Motor3、Motor4的转速减小时，四旋翼会产生向右上方的合力，使四旋翼向右飞行。反之，如果减小Motor1、Motor2的转速或者增加Motor3、Motor4的转速，四旋翼会产生向左上方的合力，使四旋翼向左飞行。

3.4 偏航运动

将电机Motor2、Motor4的转速增加或者将Motor1、Motor3的转速减小，四旋翼会向右旋转，实现向右偏航。反之，如果将Motor2、Motor4的转速减小或者将Motor1、Motor3的转速增加，四旋翼会向左旋转，实现向左偏航。

四、四旋翼飞行器控制结构

一般情况下，四旋翼无人机由检测模块、控制模块、驱动模块以及电源模块四个部分组成。

检测模块：负责对无人机当前姿态进行量测，并对控制模块提供数据；

控制模块：负责对无人机当前姿态进行解算，优化控制，并对驱动模块产生相对应的控制量；

驱动模块：负责驱动4台电机进行旋转，从而使得无人机进行正常飞行；

电源模块：负责对整个系统进行供电，其中，分为控制供电与动力供电。

4.1 控制模块

飞控的控制模块即飞行器的微控制器MCU，现如今飞控多采用 STM32F4 系列的芯片，算力和成本都非常适宜。当然，本项目作者使用的 MCU 为 STM32F103C8T6 ，成本相对来说更低。当然，制作的飞控整体控制起来难度更大一点。MCU负责计算控制以及维持各个模块之间的通讯联动。

4.2 检测模块

检测模块则通常包括：惯性检测单元（MPU6050，磁力计等），气压计（MS5611等），电子罗盘（GPS等）。通过各类检测模块的运作，可以在一定程度上得到飞行器的位姿（位置和飞行姿态）。

惯性检测单元：惯性检测单元通常由姿态传感器 + 磁力计构成。航模新手的话仅使用六轴姿态传感器 MPU6050 作为惯性检测单元即可近似完成飞行器的姿态解算，得到飞行器的欧拉角度。本项目中的惯性检测单元仅使用 MPU6050。

问题：惯性检测单元为什么还需要磁力计的帮助？
欧拉3角：pitch（俯仰角）、yaw（偏航角）、roll（横滚角），其中的偏航角yaw，因为姿态解算算法的原因长期使用后会导致误差积累，故此需要使用磁力计的帮助进行校正。

气压计：气压计在飞行器中通常用来检测飞行器的飞行高度，帮助飞行器实现定高功能。常见的气压计为 MS5611 模块，MS5611 气压传感器是集合 SPI 和 I²C （高达20 MHz）总线接口的高分辨率气压传感器，分辨率可达到 10 cm。内部有一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的 24 位AD。

4.3 驱动模块

本项目制作的为四旋翼飞行器，故需要驱动4个电机。飞行器的电机驱动需要设计专门的驱动电路或者使用电调装置。本项目使用如下驱动电路：

电路分析：
100Ω电阻：起到限流作用，在 MOS 开启瞬间时需要吃电流，如果电流过大，会导致瞬间开启，缩短 MOS 管的寿命。
10K 电阻：IC 在复位状态下，所有 IO 口都处于浮空输入状态，加 10K 下拉电阻就可以避免在单片机还没工作时，MOS 导通，电机疯狂旋转打伤人。
2302MOS：NMOS，高电平导通。通过 PWM 占空比控制 MOS 管的导通，从而控制电机的平均功率。2302 在门级开启电压 Vth=3.3V 下导通电流可达 3A，而最大的空心杯电机（8520）最大消耗电流>1A，如果按照瞬间导通的电流 2.5 倍计算，MOS 承受的电流应在 2.5A 左右。故 2302 符合使用条件。
电容：吸收电机产生的高频杂讯