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STM32F4 Discovery+STM32F103+MPU6050的四轴飞行器

2017-12-21 16:23更新
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 四轴飞行器作为低空低成本的遥感平台,在各个领域应用广泛。与其他类型的飞行器相比,四轴飞行器硬件结构简单紧凑,但是软件算法复杂,从数据融合到姿态解算,以及最后稳定和快速的控制算法,都无疑使得四轴飞行器更加有魅力。为了实现对四轴的控制,本作品使用了ST公司推出的STM32作为处理器,STM32F4 Discovery开发板作为遥控器接收板,MPU6050作为姿态传感器,软塑料机架,空心杯电机,两对正反桨,锂电池,以及四轴遥控器。最后,经过相关调试工作,设计出能够遥控稳定飞行、具有一定的快速性和鲁棒性的小型四轴飞行器。

引言

随着微电子机械系统(MEMS)的蓬勃兴起,配合高速的低功耗处理器,使得开发和研制四轴飞行器有了重大突破;特别是四轴飞行器潜在的应用前景和使用价值,都激发了人们研究它的热情。今天,四轴飞行器已经应用到各个领域,如军事打击,公安追捕,灾害搜救,农林业调查,输电线巡查,广告航拍,航模玩具等。目前广泛应用的飞行器还有:固定翼飞行器和单轴的直升机。与固定翼飞行器相比,四轴飞行器机动性好,动作灵活,可以垂直起飞降落和悬停,缺点是续航时间短的多,飞行速度不快;而与单轴直升机比,四轴飞行器的机械简单,无需尾桨抵消反力矩,成本低。

本文主要就小型四轴飞行器,介绍一种四轴飞行器的实现方案,可以通过遥

控实现四轴飞行器平稳起飞和平稳降落,控制前进后退,左侧翻右侧翻,左旋转右旋转以及悬停这一系列基本动作。

四轴飞行器系统涉及空气动力学,飞行器建模分析,机械设计,MEMS惯性

器件姿态检测,数据融合,导航和控制,电机驱动等领域的相关技术,是一门学科交叉的技术。结合本系统实现对四轴飞行器的控制,主要解决飞行器建模分析,MEMS器件姿态检测,数据滤波和数据融合,姿态解算的Matlab仿真,四轴平稳控制的问题,通过不断优化算法,使得四轴具有一定的抗干扰性和快速恢复平稳的功能。

 

系统方案 

本作品设计的是小型四轴飞行器,采用一体化的设计思路,就是机身和处理器板作为一个整体,小型四轴器的处理器使用STM32F103芯片,传感器使用MPU6050,接收板使用STM32F4 Discovery开发板,使用IIC总线的方式与处理器连接;遥控板上面使用NRF24L01无线芯片,通过上位机利用自己定义的协议来完成小型四轴飞行器的姿态显示和控制;采用空心杯电机和两对正反桨,电池使用4.1V的锂电池;整个系统的电源控制部分采用662K稳压芯片,这样可以确保供电的稳定性,保证系统稳定可靠的运行。

STM32F103处理器主要负责传感器数据的获取,原始数据滤波,数据融合,

四元数姿态解算算法,PID闭环控制算法和NRF24L01遥控信号的解码STM32F4 Discovery开发板作为遥控器接收板,用来接收和发送数据和命令。系统总体设计框图如图1所示:

图片1

图1:系统框图

 

系统硬件设计

(1)电源管理电路

系统由4.2V的锂电池供电,但是单片机和MPU6050是需要3.3V供电的,

另外电池电量也是在不断发生变化的,所以为了提供一个精确稳定的电源,使用了稳压芯片662K,框图如图2所示:

图片2

图2:电源电路框图


电源稳压芯片之所以不选择LM1117-3.3,是因为电池电量在使用一段时间后会降低,这样输入输出之间的压降差就会变得比较小,使用LM1117-3.3可能不能够满足稳定输出的压降差,相比较而言,662K需要的压降差更小一点,更能够保证3.3V的稳定输出,因此本系统选用662K稳压芯片。


(2)传感器接口电路

本系统使用传感器MPU6050,MP采用IIC的连接方式和MCU通讯,获取加速度信号和陀螺仪信号用于姿态解算,框图如图3所示:

图片3

图3:传感器接口框图

之所以选用MPU6050作为姿态检测传感器,是因为它是一款全球首例整合6轴运动处理组件,这样就免除了组合陀螺仪与加速器的问题,减少了大量的包装空间;其次可以选用IIC接口通讯,简单可靠;角速度感测范围可以方便的切换,这样就可以准确追踪快速与慢速动作,并且可以程式控制加速度器感测范围;最后,MPU6050作为一款姿态检测单元,其用户群体也是很广泛的,资料也比较多,更方便入手掌握。


(3)空心杯电机驱动电路

空心杯电机采用NMOS管来驱动,具体的驱动电路框图如图4所以:

图片4

图4:空心杯电机驱动框图


评测与结论

四轴飞行器对于运动加速度和振动的滤波效果调试

首先结合上位机,来调试四轴的数据融合和滤波效果。深红色代表陀螺仪的数据,粉红色代表加速度的数据,浅蓝色代表滤波和融合后的数据,可以发现滤波后的数据比较平坦,这就说明这个姿态信息是可以信任和采用的。调试波形如图9所示:

 图片6


四轴飞行器整机调试

四轴调试通过固定在外圈上,这样可以安全且有效的调试小四轴。通过遥控器遥控来控制四轴的飞行姿态,上位机不断调整PID参数,直到四轴可以平稳起飞悬停为止,调试图如图10所示:

 图片7

图5:四轴整机调试图


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