【正文】 可程序控制的中斷 (interrupt)，支持姿勢識(shí)別、搖攝、畫面放大縮小、滾動(dòng)、快速下降中斷、 highG 中斷、零動(dòng)作感應(yīng)、觸擊感應(yīng)、搖動(dòng)感應(yīng)功能。 ⑦ 自帶一個(gè)數(shù)字溫度傳感器。 ⑤ 自帶數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理 (DMP: Digital Motion Processing)引擎可減少 MCU 復(fù)雜的融合演算數(shù)據(jù)、感測器同步化、姿勢感應(yīng)等的負(fù)荷。 16g 的 3 軸加速度傳感器。 4g、177。 ③ 集成可程序控制，范圍為177。 2021176。 500、177。 /sec 敏感度與全格感測范圍為177。 圖 MPU6050 芯片實(shí)物圖 MPU6050 的特點(diǎn)包括： ① 以數(shù)字形式輸出 6 軸或 9 軸（需外接磁傳感器）的旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù) (quaternion)、歐拉角格式 (Euler Angle forma)的融合演算數(shù)據(jù)（需 DMP 支持）。 有了 DMP，我們可以使用 InvenSense 公司提供的運(yùn)動(dòng)處理資料庫，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解算，降低了運(yùn)動(dòng)處理運(yùn)算對操作系統(tǒng)的負(fù)荷，同時(shí)大大降低了開發(fā)難度。 圖 GY86 模塊實(shí)物圖 模塊上的 MPU6050 是 InvenSense 公司推出的全球首款整合性 6 軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問題，減少了安裝空間。 圖 無線數(shù)傳模塊圖 第 13 頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 CC1101 無線數(shù)傳模塊和 STM32 單片機(jī)串口連接后 ，串口 就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線 收發(fā)數(shù)據(jù)，這樣的好處就是 減少了調(diào)試難度，因?yàn)槿?果不使用無線數(shù)傳模塊的話，就 只有另購 NRF24L01 通信模塊，這會(huì)增添代碼量，加大調(diào)試難度。 圖 串口接口電路圖 特殊器件的介紹 無線數(shù)傳模塊 CC1101 無線數(shù)傳模塊， 體積小巧，尺寸僅為 *，操作簡單，工作頻段為433MHZ，穿透能力強(qiáng)，可直接和 5 AVR、 STM STM3 MSP4 PIC 等單片機(jī)的串口相連接 。 圖 無刷電機(jī)接口電路圖 串口接口 電路 如圖 所示，將單片機(jī)上的串口一一引出，主要作用是連接無線數(shù)傳模塊，用于收發(fā)上位機(jī)命 令。 在電路板上需要給出連接口。 GY86 模塊 與飛 行 控 制 系統(tǒng)連接電路圖如圖 所示。SW 模式下載電路如圖 所示。 下載電路 如果采用用串口燒錄程序 ， 必須先配置 BOOT0 為 1， BOOT1 為 0，然后按復(fù)位鍵，最后再通過程序下載代碼，下載完以后將 BOOT0 置 GND，復(fù)位后運(yùn)行代碼。 ● 從內(nèi)置 SRAM 啟動(dòng)：只能在 0x2021 0000 開始的地址區(qū)訪問 SRAM。 表 啟動(dòng)模式 STM32 啟動(dòng)模式 選擇引腳 啟動(dòng)模式 說明 BOOT1 BOOT0 X 0 主閃存存儲(chǔ)器 主閃存存儲(chǔ)器被選為啟動(dòng)區(qū)域 0 1 系統(tǒng)存儲(chǔ)器 系統(tǒng)存儲(chǔ)器被選為啟動(dòng)區(qū)域 1 1 內(nèi)置 SRAM 內(nèi)置 SRAM 被選為啟動(dòng)區(qū)域 根據(jù)選定的啟動(dòng)模式，主閃存存儲(chǔ)器、系統(tǒng)存儲(chǔ)器或 SRAM 可以按照以下方式訪問： 第 11 頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ● 從主閃存存儲(chǔ)器啟動(dòng)：主閃存存儲(chǔ)器被映射到啟動(dòng)空間 (0x0000 0000)，但仍然能夠在它原有的地址 (0x0800 0000)訪問它，即閃存存儲(chǔ)器的內(nèi)容可以在兩個(gè)地址區(qū)域訪問， 0x00000000 或 0x0800 0000。 一般我們選用 從主閃存存儲(chǔ)器啟動(dòng)。所以需要修改系統(tǒng)時(shí)鐘配置 文件，把 PLL 第一級分頻系數(shù) M 修改為 8，這樣才能讓主時(shí)鐘頻率達(dá)到 168MHz。 STM32 最小系統(tǒng)電路圖如圖 所示。該芯片的配置十分強(qiáng)悍， 具有卓越的性能。 圖里的 5V 電源來源于電子調(diào)速器的 BEC 降壓系統(tǒng)。LM1117 電氣特性如表 所示 。飛行器為了提高續(xù)航能力，要盡量減輕自身重量，所以這里選 取的是 SOT223封裝。1%以內(nèi)。 LM1117 提供電流限制和熱保護(hù)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的飛行器的主控芯片是 。 LM1117 有可調(diào)電壓的版本，通過2 個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn) ～ 輸出電壓范圍。其壓差輸出為 時(shí)，負(fù)載電流為 800mA。以下就重要的單元模塊做介紹 。電機(jī)實(shí)物圖如圖 所示，電子調(diào)速器實(shí)物圖如圖 所示。通常四旋翼飛行器配 2200mah 的電池。螺旋槳型號是 1047 型。 當(dāng) 3 號 電機(jī)轉(zhuǎn)述同等 減小，其反扭矩和升力減小，并且 4 號 電機(jī)轉(zhuǎn)述同等 增加，其反扭矩和升力增加，由于反扭矩出現(xiàn)不平衡，會(huì)使飛行器向右轉(zhuǎn)，反之，會(huì)使飛行器向左轉(zhuǎn)。 (3)Roll：與俯仰控制相似，橫滾就是繞著 X 軸方向旋轉(zhuǎn)， 1,4 號 電機(jī)轉(zhuǎn)述同等 減 小，2,3 機(jī)轉(zhuǎn)述同等 增加，產(chǎn)生右傾；反之，會(huì)左傾。 (1) 高度：使四個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速相同，當(dāng)其同時(shí)加速時(shí)，螺旋槳升力變大，當(dāng)升力大于飛行器重力時(shí)，飛行器擁有向上運(yùn)動(dòng)的加速度，飛行器上升；當(dāng)四個(gè)螺旋槳同時(shí)減速時(shí)，螺旋槳產(chǎn)生的升力變小，當(dāng)升力小于飛行器重力時(shí)，飛行器擁有向下運(yùn)動(dòng)的加速度，Y X Y X 第 6 頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 飛行器下降。通過調(diào)節(jié)各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到控制飛行器姿態(tài)、速度、甚至是飛行路徑的效果。為了抵消螺旋槳的反扭矩， 3 號螺旋槳需要順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)， 4 號螺旋槳需要逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即對角線上的螺旋角旋轉(zhuǎn)方向相同，以此抵消相互之間的反扭矩。并將 2 號螺旋槳所在的 軸向方向定義為 X 軸方向，即機(jī)頭。四旋翼飛行器通過分配四只螺旋槳的轉(zhuǎn)向來抵消各個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的反扭矩。在飛行器飛行過程中，螺旋槳會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)力，一個(gè)是升力，一個(gè)是與螺旋槳轉(zhuǎn)向相反的反扭矩。兩種工作模式如圖 所示。 X 型飛行方式的四旋翼飛行器姿態(tài)改變的方向與機(jī)身成一個(gè) 45 度角，十字型飛行方式四旋翼飛行器姿態(tài)改變方向與飛行器機(jī)身相同。 最后 考慮到 資金、性價(jià)比和使用的難易程度選擇方案二，基于 STM32F407VET6 單片機(jī)的飛行控制系統(tǒng)。 STM32F407VET6具有卓越的性能，并不輸于 AVR 的 Atmega328P。 方案二：意法半導(dǎo)體的 STM32F407VET6 為 CORTEXM4 內(nèi)核，屬于 32 位 ARM 微控制器，常用的編程軟件是 KEIL 和 IAR，編程語言可以是匯編，標(biāo)準(zhǔn) C 語言， C++等，使用靈活方便。 第 4 頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 Arduino 雖然是已開源的飛行控制系 統(tǒng)，命令是依靠無線遙控器發(fā)出的，這會(huì)額外增加遙控器的費(fèi)用。 飛行控制器PWM 控制接口電子調(diào)速器 2電子調(diào)速器 3電子調(diào)速器 4電機(jī) 1電機(jī) 2電機(jī) 3電機(jī) 4無線數(shù)據(jù)傳輸模塊上位機(jī)控制命令加速度計(jì)/ 陀螺儀模塊微控制器單元STM 32 F 407 VET6穩(wěn)壓電源單元串口調(diào)試單元UART模塊接口LED 控制單元電子調(diào)速器 1 圖 基于 STM32 飛控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 方案 論證 與選擇 方案一： Arduino Nano 是基于 Atmega328P AVR 單片機(jī)的開源硬件，具有 兩個(gè)外部中斷口 ，可以 輸出 六路 PWM 波，兼?zhèn)?IIC,UART,SPI 通信功能，總的來說，其具有豐富的片上資源和優(yōu)秀的性能。 微控制器ATMEGA 328 P最小系統(tǒng)姿態(tài)檢測模塊無線接收器無線遙控器導(dǎo)航模塊無線遙控接收系統(tǒng)PPM 信號LCD 顯示屏無刷電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM DATADATADATA 圖 Arduino 飛控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 方案二：采用意法半導(dǎo)體的 STM32F407VET6 作為飛行器的主控芯片。 第 3 頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 總體方案設(shè)計(jì) 方案 比較 方案一：基于意大利開源硬件 Arduino Nano 作為數(shù)據(jù)處理，姿態(tài)結(jié)算的飛 行 控 制 系統(tǒng)。四旋翼飛行器的 PID 調(diào)試 策略 。 第五章節(jié)： 程序流程 圖 ， 對程序流程進(jìn)行 簡單 說明。 第三章節(jié)： 簡單敘述了飛行器飛行 原理 ， 以及機(jī)械結(jié)構(gòu) 。 受限于本人知識(shí)水平，本文解決以下問題： 第一章節(jié) ： 四旋翼飛行器 研究背景與意義 ，國內(nèi)外 發(fā)展現(xiàn)狀。主流無人機(jī)的控制系統(tǒng)離不開自動(dòng)控制原理。比如， 一顆功能強(qiáng)勁的微機(jī)芯片就可以打造一個(gè)功能完備的飛行控制系統(tǒng)。 作為當(dāng)代大學(xué)生，不僅要順應(yīng)時(shí)代的潮流，更要有作為時(shí)代弄潮兒的信心與勇氣。 大部分的無人機(jī)公司 的 技術(shù)僅僅停留在穩(wěn)定飛行、簡單航拍和戶外 GPS 定位階段。 又比如： 3D Robotics 公司最新出品的 PIXHAWK 飛控，擁有出色飛行穩(wěn)定性，搭載雙 傳感器系統(tǒng)和冗余電源輸入并且可以擴(kuò)展兩組 GPS 系統(tǒng)，確保飛行失誤降到最低。 7. 一體化云臺(tái)設(shè)計(jì)，提升了飛行和影像的穩(wěn)定性。 5. 最大飛行時(shí)間 28 分鐘，最大可控距離約 5 公里。 3. 點(diǎn)擊相機(jī)畫面，即可向指點(diǎn)方向自主飛行。 圖 精靈 4 實(shí)物圖 第 2 頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 精靈 4 具有以下功能 ： 1. 可感知前方障礙物并自動(dòng)繞行。作為全球無人機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，這兩家公司在無人機(jī)技術(shù)發(fā)展速度可以用迅猛來形容。 盡管目前 四旋翼飛行器已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到 運(yùn)用，但 總體而言依舊 處于初步發(fā)展階段。四旋翼飛行器還有著更為廣闊的 前景等待著開發(fā)。利用四旋翼飛行器作為偵察機(jī)，具有 振動(dòng)小、噪聲小、可靠性高、成本 低、反偵察能力強(qiáng)、 自我銷毀等優(yōu)勢。也可以攜帶傳感儀器、攝像機(jī)等，對巡檢對象進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、 分析與存儲(chǔ)，這 進(jìn)一步提高巡檢的工作效率和巡檢精度。 (2)支持配備高端電子產(chǎn)品，多種外設(shè)相連接，如照相機(jī)、機(jī)械臂等，可以實(shí)現(xiàn)一些娛 樂功能。當(dāng)下無人機(jī)發(fā)展火熱，其中以四旋翼飛行器的發(fā)展最為突出。 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 目 錄 1 前言 ......................................................................................................................................... 1 背景與意義 .................................................................................................................. 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .......................................................................................................... 1 論文主要工作 .............................................................................................................. 2 2 總 體方案設(shè)計(jì) ......................................................................................................................... 3 方案比較 .....................................................................................................................