基于STM32F4 的四轴无人机设计

李少童，何明兴，李大彬，王耀政

(广州城市理工学院，广东广州，510800)

0 引言

四轴无人机的发展日益迅速，各行各业对无人机的需求也越来越大，目前国内外无人机技术垄断相对严重，大疆占全球市场份额近八成左右，占国内市场也近七成，但大疆的价格相对较高，普通用户难以消费，因此低成本多功能的小型无人机相对空缺，因此基于STM32 单片机开发一款低成本的小型无人机意义重大。

1 四轴无人机的关键零部件选型

1.1 电机

在本项目中我们团队选择两种不同的电机，直流有刷电机即图1 的空心杯电机720 和主流无刷电机A2212 电机。空心杯电机优势在于体型小巧，运行稳定性高，其速度波动可控制在2%，在相应速度-电压参数能呈现出标准的线性关系，有利于无人机的控制，缺点则在于空心杯电机发热严重，使用寿命较短，且一般无法承受大电流运行，因此所制作的无人机无法负重飞行，一般适用于超小型无人机设计。A2212 无刷电机在能量转换效率高，一般可高达96%的能量转换，启动转矩地，峰值转矩高，机械时间常数小，转子与定子间无径向作用力，转子稳定性高，散热效果良好等优点，一般适用于大型无人机的设计，其主要缺点在于不可缺相运行，不仅因为剩余的绕组的发生的磁场点2 个大小相等，方向相反旋转磁场，它们和转子作用发生的扭矩大小相等，方向相反相互抵消，零起动转矩电机不能启动，还可能直接烧毁电机，损坏电路。本次无人机项目选择使用直流有刷电机，型号为720，额定电压3.4V，额定电流800mA，额定转速34000。电机如图1 所示。

图1 电机

1.2 电池

我们选用的是1000mAh，1S/3.7V 的航模锂电池，电池如图2 所示。

图2 电池

航模锂电池的体积不大，且质量轻，容量比也极高，放电率高，爆发性强适用于短时间启动需大能量的电机。而我们选择的这款航模锂电池拥有这1000mAh 的容量，理论上可以支撑上述选用的四个空心杯电机全功率使用0.3h。

1.3 螺旋桨

为保证四轴无人机有较强的升力及更轻的重量，我们选用的是直径为46mm 的桨叶，如图3 所示。

图3 螺旋桨

1.4 四轴机架

机架一般占据了整个无人机的重量70%，常选择质量较轻，硬度高的材料设计。因为我们所制作的小型无人机，其PCB 板已占据了大部分重量，为此我们选择直接通过对PCB 的绘制，制作出无人机机架外观再增加保护胶圈，提高无人机使用安全性，如图4 所示。

图4 机架

2 无人机部分硬件电路系统的设计

2.1 主控MCU

主控MCU 选用STM32F401CCU6，这是一款高性能Arm Cortex-M4 32 位 RISC 核心，工作频率高达84 MHz，Cortex-M4 核心具有浮点单元（FPU)单精度[1]，支持所有的单精度数据处理指令和数据类型，有助于无人机的四元数姿态结算，STM32F401CCU6 采用了高达256KB 的FLASH和64KB 的SRAM，设备还提供一个12 位 ADC、一个低功耗 RTC、六个通用16 位定时器，包括一个用于电机控制的PWM 定时器、两个通用32 位定时器，可以满足无人机的系统控制需求，同时设备具有标准的通信接口SPI 和IIC 接口，能满足无人机的基本通信要求。STM32F401CCU6 原理图，如图5 所示。

图5 MCU 原理图

2.2 传感器

无人机板载一颗九轴陀螺仪传感器MPU6050 和一颗高精度气压传感器BMP280，MPU6050 内部整合了三轴MEMS 陀螺仪和三轴MEMS 加速度计，还有可以结合InvenSense 公司提供的运动处理资料库，实现姿态解算，并通过I2C 接口输出，大大降低了运动处理运算对操作系统的负荷，可实现无人机的稳飞控制与角度PID 控制。BMP280 是BOSCH 公司旗下的高精度低功耗数字气压传感器，气压相对精度高达±0.12 hPa，用于无人机的高度检测和定高PID 控制，图6 是BMP280 气压传感器和MPU6050 陀螺仪传感器原理图。

图6 传感器原理图

2.3 电机系统

四轴采用微型高速720空心杯有刷电机，全功率运行下能达到45000RPM，为能提供足够电流驱动电机，选用NMOS 管SI2302设计电机驱动电路，通过STM32F 401CCU6 定时器产生PWM 脉冲控制NMOS的开断，从而实现对有刷电机的控制[2]。因为在无人机的PID 控制需不断的使电机处于启动与衰减模式而在电机处于衰减模式时，即电机从运动到停止状态，因为电机属于感性负载，电流是不能发生突变的在断开电机两端所加的电压时，电机产生的反向电动势很有可能损坏NMOS 管，因此在电机需要停止时，除了断开外，还需增加一个续流电路，即在NMOS 管旁增加一个续流二极管。电机控制原理图，如图7 所示。

图7 电机控制原理图

2.4 无线通讯系统

RF24L01 是由NORDIC 生产的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片，nRF24L01 的数据传输速率可达1Mbps、2Mbps，4 线SPI 通讯端口，通讯速率最高可达8Mbps，且nRF24L01+接口有IRQ 引脚，用于指示nRF24L01+中断的状态，在IRQ 引脚拉低后，程序触发nRF24L01+中断，在中断处理函数中，程序仅置位相应标志，中断的处理则放置在主函数中[3]。在于与STM32F401CCU6 建立通讯时，不会过多占用CPU，并且可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度，方便编辑无人机控制指令集。nRF24L01+接口有IRQ引脚，用于指示nRF24L01+中断的状态，在IRQ 引脚拉低后，程序触发nRF24L01+中断，在中断处理函数中，程序仅置位相应标志，中断的处理则放置在主函数中。无线通信原理图，如图8 所示。

图8 无线通信原理图

2.5 各子系统布局

无人机的整体布局围绕轻、小展开，目的是为提升无人机的操控性、可玩性，同时在一定程度上降低整机成本，因此无人机设计过程中将硬件电路板布置为四轴模式[4]，PCB电路板，如图9 所示。

图9 PCB 电路板

3 软件设计

3.1 系统框图设计

系统上电启动时，将初始化MPU6050 陀螺仪、BMP280 气压传感器、NRF24L01 通讯模块，以及MCU内部定时器、ADC，DMP 等。将无人机放平，通过观察无人机指示灯，检测NRF24L01 的通讯是否正常，等待MPU6050 与BMP280 的自检完成，等待无人机遥控发出起飞指令，飞控MCU 接受到指令后，通过MPU6050 发送的角度数据，进行互补滤波后，将数据传入STM32F401CCU6的FPU 单精度运算单元进行PID 运算，输出姿态控制量，由MCU 定时器生成PWM 脉冲输出，控制电机的旋转，与此同时不断接受来自遥控器的指令和MPU6050 和BMP280的更新数据，每5ms 进行一次姿态调整，以保证无人机的稳定飞行[4]控制系统框图，如图10 所示。

图10 控制系统框图

3.2 飞行姿态解算

姿态解算指MCU 读取自身传感器数据，实时计算四轴飞行器的姿态角，比如横滚角（roll），俯仰角（pitch），偏航角（yaw）的信息,一般姿态解算分为硬件解算与软件解算，硬件解算即使用MPU6050 自带的数字运动处理器DMP 它可以融合来自陀螺仪、加速度计的数据，并基于硬件电路的处理计算出准确的四元数，处理结果可以从 DMP寄存器读出，使用DMP 读取数据虽然简单，但是无法跟踪飞行器剧烈的姿态变化，而且有些时候还会出现突变甚至卡死现象[5]。因此我们将选择使用软件解算，通过互补滤波算法，分别利用加速度计和陀螺仪的频率响应优势，对传感器测量的原始数据进行互相弥补, 来提高解算的姿态精确度，因为加速度计的静态特性好，而动态特性差的原因，需对测量得到的数据进行低通滤波，陀螺仪则因存在温漂和零漂的关系，其在低频段动态响应特性差，高频动态响应特性好，需对测量的数进行高通滤波，图11 是Mahony 互补滤波算法的程序流程图。

图11 互补滤波流程图

3.3 四元数运算

四元数是利用一种超复数的乘法来等效放映姿态变换的方法[6]，相比于欧拉角描述姿态矩阵，后者需要大量的三角函数计算，以及存在奇异点，因此采用四元数表示可较低姿态解算的复杂度，达到实时解算飞行姿态。以下是四元数转旋转矩阵：

3.4 串级PID 控制算法

四旋翼无人机是多输入多输出的非线性系统，且实际飞行时周围环境多变，为了达到较好的控制效果，使其能迅速调整，保持一定的稳定性，一般会选择使用PID 控制算法进行自动控制，PID 算法是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成[7]。常见的PID 算法分为单环PID 和串级PID，在无人机实际使用单环PID 控制进行实测时能明显感觉到动态性能比较差，振荡较大，阻尼较小，增加D 性能提升有限甚至会导致系统发散，因此我们选用串级PID 作为项目的控制算法，串级PID 相比单环PID 只增加了一个内环，内环的加入相当于增加了系统的阻尼，对于系统的抗干扰性得到了进一步提升。遥控发送期望角度数据，反馈角度来自MPU6050 陀螺仪传感器，二者的偏差作为外环角度环的输入，角度环 PID输出角速度的期望值；角速度期望值减去传感器反馈的角速度得到角速度偏差值，这个值作为内环角速度环的输入，角速度环 PID 输出姿态控制量，控制量转换为 PWM 去控制电机，从而控制四轴，串级PID 流程图如图12 所示。图13 为部分串级PID 控制程序。

图12 串级PID 流程图

图13 串级PID 控制程序

4 总结

本文采用STM32F4 单片机自主开发四轴无人机，采用自适应的智能控制方法串级PID 控制算法实现飞行器姿态控制。基于STM32F4 开发的四轴无人机，其体积更小，功耗更低且续航时间更长，抗干扰性强，响应快速。未来可通过扩展适用于其他行业，以提升该机型的扩展性。