基于STM32的四旋翼飞行器设计

第十一届中国研究生电子设计竞赛技术论文论文题目：基于stm32的四旋翼飞行器设计DesignofQuadrotorAircraftBasedonSTM32参赛单位：南京信息工程大学队伍名称：weare伐木累指导老师：行鸿雁参赛队员：张兰戴学飞钱坤完成时间：2016.6.18第十一届中国研究生电子设计竞赛基于STM32的四旋翼飞行器系统设计2摘要四轴飞行器是一种结构紧凑、飞行方式独特的垂直起降式飞行器，与普通飞行器相比，具有结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大升力等优点，所以在军事和民用多个领域都有广阔的应用前景，非常适合在狭小空间内执行任务。本设计采用stm32f103zet6作为主控芯片，3轴加速度传感器mpu6050作为惯性测量单元，通过2.4G无线模块和遥控板进行通信，最终使用PID控制算法以PWM方式控制电子调速器驱动电机实现了四轴飞行器的设计。关键词：四轴飞行器,stm32;mpu6050,2.4G无线模块.PID.PWM第十一届中国研究生电子设计竞赛基于STM32的四旋翼飞行器系统设计3AbstractQuadrocopterhasbroadapplicationprospectintheareaofmilitaryandcivilianbecauseofitsadvantagesofsimplestructure.Smallsize,lowfailurerate,takingoffandlandingertically.etc.itissuitableforhavingtaskinnarrowspace.ThisdesignusesSTM32f103zet6asthemasterchip,andtriaxialaccelerometermpu6050inertialmeasurementunit,via2.4Gwirelessmoduleandremotecontrolpanelforcommunication.Finallyusingpidcontrolalgorithmwithpwmdrivestheelectronicspeedcontrollertochangemototorealizethedesignofquadrocopter.Keyword:quadrocopter,stm32,mpu6050,2.4Gwirelessmodule;pid;pwm第十一届中国研究生电子设计竞赛基于STM32的四旋翼飞行器系统设计4目录第一章作品难点与创新...................................................................................................11.1作品难点................................................................................................................................11.2创新点.....................................................................................................................................1第二章方案论证与设计...................................................................................................22.1飞控部分硬件框图..............................................................................................................22.2遥控器部分硬件框图..........................................................................................................22.3各部分元器件介绍..............................................................................................................32.3.1stm32介绍...............................................................................................................32.3.2电子调速器.............................................................................................................42.3.3mpu6050六轴传感器.............................................................................................52.3.4无线通信NRF24L01...............................................................................................6第三章原理分析与硬件电路图...................................................................................83.1飞行器空气动力学分析....................................................................................................83.2飞控部分硬件电路图设计..............................................................................................103.3遥控部分硬件电路图设计.............................................................................................10第四章软件设计与流程..............................................................................................114.1pid算法分析.....................................................................................................................114.2串级pid系数的整定........................................................................................................124.3串级pid系统框图............................................................................................................134.3.1飞控部分程序设计..............................................................................................144.3.2遥控部分程序设计................................................................................................14第五章系统测试与误差分析....................................................................................15第六章总结...........................................................................................................................19参考文献...................................................................................................................................21第十一届中国研究生电子设计竞赛基于STM32的四旋翼飞行器系统设计1第一章作品难点与创新1.1作品难点对于一种芯片，最麻烦的就是底层的驱动了，很多驱动得自己编写，为了最大发挥处理器的性能，做了很多驱动优化，将不必要的延时降到最低，比如I2C总线驱动，官方的代码不符合自己的要求，通信效率低，我们花了几天的时间去优化这个驱动，使用了模拟的IIC接口，最后在保证稳定性的前提下，速度提高了一倍。这个设计遇到的最大问题就是怎样保持飞行器的平衡。开始的时候，我们以为很简单，不就是简单的闭环控制么，随着深入研究和实验，发现有些东西已经不能用我现有的知识来解答了，比如姿态的解算。我想姿态解算也是这个项目的难点，怎样时时刻刻都准确的跟踪到飞行器的姿态。很多人都知道使用加速度和陀螺仪检测物体的姿态，很多手机就有这些传感器，但是这两传感器在飞行器上貌似水土不服，陀螺仪随时间推移漂移了，加速度计由于电机的高速运转震动基本上处于半瞎状态。所以我们使用了串级pid算法，并且优化了串级pid算法，使得在只用一个mpu6050的情况下，可以实现稳定的飞行，并且在飞行20层楼层的高度时可以飞出定高的效果。调试过程中，采用无线通信芯片nrf24l01和stm32单片机作为控制端，同时用匿名四轴上位机显示状态。1.2创新点设计的创新点有两个，一是在于遥控器的控制方面，传统的飞行器控制飞行在于通过遥杆控制，通过对遥杆的物理操作实现飞机的左右前后飞行，我们则采用感应式姿态控制，通过遥控器上板载的mpu6050，去跟踪手的姿势，然后将手的物理动作对应到相应的角度，发送给飞控部分，飞控部分将接受到的信号作为期望的角度，实现飞行器的左右前后飞行。本次设计的第二个创新点在于优化pid算法，单纯的pid算法是不足以控制动力如此大的大四轴，再加上只有一个六轴传感器mpu6050是不足以控制好大四轴的，通常市面上的飞行器姿态测量这方面会用到多个传感器，以实现飞行器姿态的跟踪。但是我们只用了一个六轴传感器mpu6050就可以做到非常稳定的飞行，主要原因在于对算法的优化。第十一届中国研究生电子设计竞赛基于STM32的四旋翼飞行器系统设计2第二章方案论证与设计本次设计选择的材料如下：主控芯片：STM32F103ZET6无线通信：NRF24L01传感器：MPU6050六轴传感器遥控主芯片：STM32F407ZGT6机架的型号:F450，重量282克。电机轴距450mm，螺旋桨采用1045型。电机则采用银燕MT-2216，810KV无刷电机，最高转速2极马达210000转/分钟，重量：37g。电调为好盈20A电子调速器，持续电流30A，短时电流40A。电池则采用了2200mah锂电池。2.1飞控部分硬件