基于STM32的四旋翼无人机开发设计_csdn无人机飞控程序设计

已知技术参数和设计要求：

1．功能要求

       本次课程设计涉及的四旋翼无人机设计方案，采用STM32F103为上位机，外加直流电机、WIFI模块、MPU6050九轴运动处理传感器等实现四旋翼无人机飞行及其控制功能。

2. 运行环境要求

       四旋翼无人机：基于STM32F103的专用开发板，含直流电机及其驱动模块、WIFI模块、MPU6050九轴运动处理传感器模块等。

3．技术要求

       掌握STM32单片机原理及应用开发技术，包括单片机GPIO、PWM、UART、IIC、FLASH等接口技术，以及项目编程框架、设计方法、调试技巧等。

4.   设计要求

         本次课程设计涉及的四旋翼无人机设计方案，采用STM32F103为上位机，外加直流电机、WIFI模块、MPU6050九轴运动处理传感器等实现四旋翼无人机飞行及其控制功能。

功能模块

       要实现通过手机蓝牙控制无人机平稳飞行的需求而开发嵌入式系统，这个系统主要包括电机模块，串口通信模块和IIC通信模块三个大模块，另外还涉及到PID算法。

各模块关系图如下：

设计环境

       软件环境：Windows，Keil 5, Source lnsight 4.0

工作原理

       控制无人机四个电机的转速相同使无人机能够平稳起飞，调节各个电机的转速，可以改变无人机的俯仰角，横滚角和偏航角。俯仰角控制无人机向前后是向后飞行，横滚角是控制无人机向左或是向右飞行，而偏航角控制无人机的旋转。当四个电机转速相同的，并且不考虑误差的情况下，通过控制油门，无人机可以做到垂直起降，空中悬停。当前面两个电机转速小于后面时，此刻俯仰角小于0，无人机向前飞行。向左右飞行与这原理相同。            

       在无人机在飞行过程中，MPU6050传感器会根据无人机的飞行状态，获取加速度，角速度的数据，为了确保无人机的稳定飞行状态，MPU6050会线将数据进行处理，并将处理后的数据以IIC通信的方式传送给主设备STM32主控芯片，然后主控芯片会控制各个电机转速达到平衡状态。我们在通过手机蓝牙遥控无人机飞行时，STM32通过串口接收数据。STM32内置PID算法，将接受到的数据进行处理，然后发送跟电机，做出相应的飞行动作。

硬件系统设计

       设计图如下所示：

     

系统功能结构

       本系统主要包括电机模块，串口通信模块，IIC通信模块

电机控制模块

       本模块主要功能是初始化和配置GPIO引脚，给电机上电，然后配置定时器4的时基单元何输出比较器，通过设置CCR可以调节占空比从而达到控制电机转速。

           

 

串口通信模块

       串口通信模块有两个功能，即Uart1和Uart2,串口1的作用时STM32和主机的通信，通过串口发送数据给主机，并在串口助手上显示。本次设计主要用到的功能时串口2，串口2时手机通过蓝牙发送数据给STM32主控芯片，控制无人机的飞行。

                      

 IIC通信模块

       本模块是用于STM32主控芯片和MPU6050之间的通信。在IIC通信中，STM32作为主设备，而MPU6050作为从设备，STM32会读取MPU6050在飞行过程中产生的数据，从而控制电机的平稳飞行。

电机控制模块测试

实验预期：本模块的功能是给电机上点，通过调解占空比来调节电机的转速。

实验结果：将程序下载到STM32开发板上后，打开开关，无人机的四旋翼开始转动，当将占空比调大时，四旋翼的转速增大。随后我们调节了四个电机各自的占空比，尽量让无人机能刚刚起飞并处于平衡状态。

实验测试视频截图： 

                      

串口通信模块测试

       串口通信分为两部分，串口1和串口2，串口1的功能是，STM32向串口助手发送数据。串口2的功能是，手机通过蓝牙向STM32发送数据。

串口1实验截图：

描述：每隔1秒向串口助手发送一次“hello world...”。

             

串口2实验截图：

       描述：如图为手机遥控器软件截图，图中的加速度，陀螺仪的x,y,z值都是通过串口2发送给手机并显示处理的。而控制数据，是由蓝牙发送给STM32，进行飞行控制。

                

IIC通信模块模块测试

描述：MPU6050在无人机的飞行过程中会获取角速度和加速度等数据，并通过IIC通信的方式，将这些数据传输给STM32主控芯片。

实验结果描述：为了能看STM32和MPU6050之间的IIC通信，将STM32获取到的数据通过串口通信，打印在串口助手上。下图展示的是MPU6050初始化之前的打印结果。在初始化MPU6050之后，角速度和角速度的值可以获取，并如上图所示打印出相应的结果。

         

总 结

       本次课题设计实现了手机通过蓝牙对无人机飞行进行控制的功能，此刻设计的重难点在于PID算法的设计，对于PID算法是怎么设计的，我个人还是不大清楚。另外，保证无人机能平稳起飞的一个重要原件是MPU6050传感器,它能在无人机飞行过程中采集数据，内置的陀螺仪算法能处理采集到的数据，STM32主控芯片你会读取该数据，并发送给电机使无人机能保持平稳状态。对于PID算法，我个人的理解是，我们使用手机通过蓝牙给主控芯片发送数，STM32接受到数据后会将该数据用PID算法进行处理。从而达到控制，俯仰角度和滚转角度，进而改变飞行状态，并且可以控制在一个安全的范围之内，这样一来，我们的无人机既可以完成各种动作，又能保持平衡。

       本次我们小组完成了设计的全部类容，可以通过手机遥控无人机进行平稳的飞行，并且能做到向各个方向飞行。虽然实验代码老师都会给我们，但是我还是感觉在此次课程设计中学到了很多，对于新的知识有了涉猎，对以前学过的又加深了印象。尤其是在IIC通信模块设计的学习中收获颇多。根据时序图编写功能函数，之前是没有这样做过，但是现在会了。以后在编写程序时，我会往这个方面思考。总而言之，这次实验学得很踏实，能掌握的基本都学会了，至于PID算法这部分确实有点力所不能及。

最终效果展示 ：