高正中　趙晨暉　宋森森

摘 要： 微型四軸飛行器屬于旋翼式飛行器，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計成本低等優(yōu)點，在軍事探測、信息采集、增強通信節(jié)點等方面應(yīng)用廣泛。設(shè)計采用STC15W4K58S4芯片作為微型四軸飛行器的控制核心，以 NRF24L01 實現(xiàn)無線遙控通信、MPU6050陀螺儀進行姿態(tài)監(jiān)測，采用互補濾波器原理設(shè)計姿態(tài)融合算法，同時采用 PID增量控制算法調(diào)整PWM輸出占空比，實現(xiàn)對飛行器電機轉(zhuǎn)速的控制。經(jīng)過測試可實現(xiàn)對飛行器的姿態(tài)控制。

關(guān)鍵詞： 四軸飛行器； STC15W4K58S4； PID算法； PWM控制

中圖分類號： TN61?34； TP249 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）24?0145?04

Design of micro four?axis aircraft based on STC15 MCU

GAO Zhengzhong， ZHAO Chenhui， SONG Sensen

（College of Electrical Engineering and Automation， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract： The micro four?axis aircraft belongs to the rotary wing type aircraft， has the advantages of small volume， simple structure and low design cost， and is widely used in military detection， information collection， communication nodes enhancement and other fields. The STC15W4K58S4 chip is taken as the control core of the micro four?axis aircraft， the NRF24L01 is adopted to realize the wireless remote control， and MPU6050 gyroscope is employed to monitor the posture. The principle of complementary filter is used to design the posture fusion algorithm. The incremental PID control algorithm is adopted to adjust the output duty cycle of PWM to control the motor speed of the aircraft. The testing result indicates the flight posture of the aircraft can be controlled with the design method.

Keywords： four?axis aircraft； STC15W4K58S4； PID algorithm； PWM control

微型四軸飛行器是一種可垂直起降的微小型無人機，其控制系統(tǒng)有4個輸入、6個自由度，采用4個螺旋槳提供動力實現(xiàn)飛行控制。系統(tǒng)主要由機架、微處理器（MCU）、傳感器模塊、無線傳輸模塊和電機等部分組成，具有飛行靈活、穩(wěn)定性強等眾多特點，在低空飛行具有較大優(yōu)勢[1]。微型四軸飛行器的飛行控制系統(tǒng)從功能上分為三種：自主飛行、半自主飛行和人工遙控?；趹?yīng)用范圍和安全性考慮，本設(shè)計采用遙控方式控制四軸飛行器的飛行。飛行器上的MCU接收遙控命令，實時采集陀螺儀角速度，調(diào)節(jié)飛行器的飛行姿態(tài)。

1 四軸飛行器硬件設(shè)計

本文設(shè)計的微型四軸飛行器硬件設(shè)計包括兩個部分： 遙控部分和飛控板部分。遙控部分主要包括STC15主控制芯片、搖桿控制電路、NRF24L01無線發(fā)送模塊等；飛控板部分主要組成有STC15主控制芯片、MPU6050陀螺儀角速度傳感器、NRF24L01 無線接收模塊等。硬件設(shè)計總體框圖如圖1所示。

1.1 飛控板硬件設(shè)計

飛控板的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計采用“十”字模式，如圖2所示。啟動飛行器時可通過操縱遙控器同時加大4個電機的轉(zhuǎn)速，使飛行器垂直提速升空。要使飛行器順時針旋轉(zhuǎn)需增大 M1，M4轉(zhuǎn)速同時減小M2，M3轉(zhuǎn)速。同理， 若M2與M3的轉(zhuǎn)速大于M1與M4的轉(zhuǎn)速，飛行器逆時針旋轉(zhuǎn)[2]。以此實現(xiàn)飛行器的加速、減速及方向改變。

在飛控板電路中，STC15主控制芯片對陀螺儀傳感器采集的數(shù)據(jù)進行濾波、融合、姿態(tài)解算等處理后轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的PWM 信號，再將解算得到的 PWM 信號傳送給電機，電機根據(jù) PWM 信號的輸出占空比調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

飛控板硬件電路設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含 STC15主控制芯片、MPU6050陀螺儀傳感器、NRF24L01 無線接收模塊、下載器接口電路、供電電路。

由圖3可知，主控制MCU為STC15W4K58S4芯片，通過采集陀螺儀傳感器的角度數(shù)據(jù)并加以姿態(tài)解算，接收遙控器發(fā)送的數(shù)據(jù)，采用PID算法計算輸出占空比控制電機運轉(zhuǎn)。MPU6050 陀螺儀傳感器以單一數(shù)據(jù)流形式向STC15主芯片傳輸數(shù)據(jù)，可以完成處理運動感測的復(fù)雜信息，降低運動處理運算對主控制芯片的負(fù)荷，準(zhǔn)確跟蹤飛行器的運動軌跡[3]。

NRF24L01作為無線收發(fā)器芯片，實現(xiàn)遙控器與飛控板之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。供電電路為系統(tǒng)提供3.7 V工作電源，可以轉(zhuǎn)化成5 V和3.3 V的工作電壓[4]，電路如圖4所示。

1.2 遙控部分硬件設(shè)計

遙控部分電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中包括STC15主控制芯片、遙桿控制電路、NRF24L01 無線發(fā)送模塊、下載器接口電路、供電電路和校準(zhǔn)電路。

其中，遙桿控制電路可提供多種控制參數(shù)，實現(xiàn)多姿態(tài)多角度的控制；NRF24L01無線發(fā)送模塊通過主控芯片給飛行器發(fā)送指定的命令實現(xiàn)飛行監(jiān)控功能；供電電路采用3.7 V電池供電，實現(xiàn)遙控器對飛控板的遠(yuǎn)程控制。

2 四軸飛行器的程序設(shè)計

本文利用Keil開發(fā)平臺的C語言編寫微型四軸飛行器的飛行程序。程序模塊化設(shè)計包括傳感器數(shù)據(jù)的讀取及姿態(tài)解算、PID控制、PWM信號捕獲以及控制電機的PWM波形輸出等。整體程序流程如圖6所示。

由式（3）可以看出，只要確定X，Y，Z的值，就可以利用前后3次測量的偏差值得出角速度的增量，實現(xiàn)PID增量控制[6]。

互補濾波器是使加速度和陀螺儀角速度達(dá)到平衡的一個平臺，將低通濾波器與高通濾波器結(jié)合，對加速度計低通濾波，對陀螺儀高通濾波，通過整合適當(dāng)?shù)膮?shù)得到較好的濾波器特性[7]。本設(shè)計采用互補濾波器對測量誤差進行矯正，并給出了互補濾波器融合系數(shù)的方法，互補濾波器原理如圖9所示。

[θs=GLsθ1s+GHsθ2s]

式中：GL（s）具有低通濾波特性；GH（s）具有高通濾波特性。設(shè)計采用的姿態(tài)估計算法為四元數(shù)法，四元數(shù)就相當(dāng)于復(fù)數(shù)二維空間[8]，由實數(shù)及i，j，k三個元數(shù)組成，以復(fù)數(shù)形式表示為：

[q=cosφ2+isinφ2+jsinφ2+ksinφ2 q=cosφ2+isinφ2+jsinφ2+ksinφ2] （4）

四元數(shù)的表達(dá)式?jīng)]有奇點且可以精確的表示4個維度的轉(zhuǎn)動信息，因此本設(shè)計的姿態(tài)解算采用四元數(shù)法[9]。本設(shè)計中，遙控器程序采用左手油門設(shè)計。 STC15主控制芯片通過A/D采集數(shù)據(jù)，并將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，由NRF24L01發(fā)送給飛行器，同時接收來自飛控板的姿態(tài)信號并處理，循環(huán)采集新的數(shù)據(jù)信號并重復(fù)以上工作過程 [10]。遙控器程序設(shè)計流程圖如圖10所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果

完成四軸飛行器硬件設(shè)計及程序算法研究，進行以下測試。給系統(tǒng)下載一個LED閃爍程序，若程序正常運行，則說明MCU配置成功[11]；用示波器檢查PWM輸出波形是否符合要求，若符合則表明電機可正常運轉(zhuǎn)；操縱遙控器的左右搖桿，檢測4個螺旋槳的轉(zhuǎn)動情況是否符合飛行要求，若不符合則修改 PID 控制參數(shù)，調(diào)整達(dá)到預(yù)期飛行要求則測試結(jié)束。

測試結(jié)果顯示飛行器實現(xiàn)基本飛行功能，通過試飛，飛行器基本完成飛行動作，但飛行穩(wěn)定性需進一步研究。

4 結(jié) 語

本文基于STC15最小系統(tǒng)設(shè)計出一個微型四軸飛行器，從機械結(jié)構(gòu)設(shè)計到軟硬件電路設(shè)計均做了較為詳細(xì)的介紹，涉及了動力學(xué)飛行控制原理、PID控制算法及姿態(tài)解算四元數(shù)法等相關(guān)知識，最終經(jīng)過對軟硬件的調(diào)試，實現(xiàn)微型四軸飛行器的人工遙控。

參考文獻

[1] 程學(xué)功.四軸飛行器的設(shè)計與研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2012.

[2] 王東平.基于嵌入式的四軸飛行器控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].泉州：華僑大學(xué)，2013.

[3] 郝蕓，楊奇，佟皓萌.基于STM32的四軸飛行器設(shè)計[J].電子測試，2015（18）：6?8.

[4] 劉峰，呂強，王國勝，等.四軸飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2011，19（3）：583?585.

[5] 許震，毛麗民，劉同連，等.四軸飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報，2013（2）：109?113.

[6] 李世光，申夢茜，王文文，等.一種Mecanum輪式移動平臺增量PID控制系統(tǒng)設(shè)計[J].山東科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016（1）：86?90.

[7] 王俊，魯曉天.對四軸飛行器基于姿態(tài)算法的分析與實現(xiàn)[J].河南科技，2015（2）：51?53.

[8] 王金紅，成怡，錢紅亮，等.四軸飛行器姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].宇航計測技術(shù)，2014，30（6）：9?13.

[9] 梁延德，程敏，何福本，等.基于互補濾波器的四旋翼飛行器姿態(tài)解算[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（11）：56?58.

[10] QIU C X， SHEN H Y， SOLTANI S， et al. An optimal and distributed strategy for packet recovery in wireless networks [C]// Proceedings of 2013 IEEE INFOCOM. Clemson： IEEE， 2013： 2859?2867.

[11] 周建陽，陳家樂，薛斌，等.基于STM32 四軸飛行器的設(shè)計[J].欽州學(xué)院學(xué)報，2015（2）：30?33.

[12] 劉萬龍，朱昊偉，孫樹江，等.國內(nèi)微推力測試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].火箭推進，2015（5）：7?11.

[13] 劉芝福.基于WiFi AP模式下的多軸飛行器數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（13）：27?29.