邵陽(yáng)學(xué)院　田　豐　許建明　陳炯明

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基于STM32的MINI四軸飛行器設(shè)計(jì)

邵陽(yáng)學(xué)院田豐許建明陳炯明

【摘要】本文介紹了四軸飛行器的基本工作原理，設(shè)計(jì)和制作了一種簡(jiǎn)化版四軸飛行器。系統(tǒng)由飛行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)組成，硬件包含MCU、運(yùn)動(dòng)傳感器、電源管理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊等。MCU選用ST公司的STM32F1系列微控制器，運(yùn)動(dòng)傳感器選用MPU6050六軸傳感器，電源管理模塊選用XC6206低壓差線性穩(wěn)壓模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用SOT-23封裝的AO3400場(chǎng)效應(yīng)管，通信模塊選用串口藍(lán)牙模塊。軟件主要由姿態(tài)解算模塊、PID控制模塊、通信協(xié)議等組成。經(jīng)測(cè)試飛行器能夠完成基本的功能和技術(shù)指標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】微控制器；四軸飛行器；傳感器

1　系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)的處理器采用意法半導(dǎo)體公司的微控制器STM32F103C8T6，該處理器內(nèi)核架構(gòu)ARM Cortex-M3，具有高性能、低功耗、低成本等特點(diǎn)，十分適合中型復(fù)雜度的產(chǎn)品的控制。傳感器MPU6050六軸運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊、通信采用了藍(lán)牙串口模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用的是MOS管，電源管理模塊等；遙控采用自己制作的遙控器。當(dāng)控制數(shù)據(jù)據(jù)傳到控制板上時(shí)，控制板解析數(shù)據(jù)命令，并將命令作為參數(shù)輸入到PID控制器中參與計(jì)算。最后輸入的數(shù)是融合后的遙控?cái)?shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

2　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1微控制器電路

STM32F103單片機(jī)正常運(yùn)行是需要一定基本的電路條件，如果這些條件不滿(mǎn)足，微控制器是無(wú)法正常運(yùn)行，這些細(xì)節(jié)工作必須要先做好才能夠防止后面不穩(wěn)定問(wèn)題。

(1)復(fù)位電路

復(fù)位電路是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)必備的電路，當(dāng)MCU的供電電壓有變化時(shí)，復(fù)位電路可以產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，讓MCU發(fā)生復(fù)位，這樣就可以避免因?yàn)殡妷翰▌?dòng)造成了MCU的程序跑飛等問(wèn)題。一個(gè)可靠的復(fù)位十分重要，本設(shè)計(jì)采用的是阻容復(fù)位，這樣設(shè)計(jì)的好處是電路簡(jiǎn)單，成本低廉。

(2)時(shí)鐘電路

單片機(jī)是數(shù)字時(shí)序電路的一種，數(shù)字時(shí)序電路都需要時(shí)鐘源，采用晶振為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)。晶振采用8MHz，在STM32F103內(nèi)部有PLL電路，可以把這個(gè)8MHz的信號(hào)倍頻到72MHz和更高速的頻率。

2.2穩(wěn)壓電路

STM32F103運(yùn)行電壓是3.3V，而電池的正常供電電壓是3.5V到4.2V之間，所以不能夠直接作為單片機(jī)和系統(tǒng)的電源，本設(shè)計(jì)采用了ME6206A穩(wěn)壓芯片。該穩(wěn)壓芯片的電路應(yīng)用十分的簡(jiǎn)單，性能非常好。

2.3電池電壓檢測(cè)電路

鋰電池有容量大，重量小，無(wú)記憶效應(yīng)等特點(diǎn)而被廣泛使用，但鋰電池有一個(gè)很大的缺點(diǎn)就是不能過(guò)充和過(guò)放，過(guò)放會(huì)鼓氣，過(guò)充會(huì)爆炸，所以在四軸上設(shè)計(jì)過(guò)程中選用了一個(gè)ADC電路來(lái)檢測(cè)電池的電壓， 一旦檢測(cè)到電池電壓過(guò)低，就報(bào)警，提醒用戶(hù)換電池。

2.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

四軸飛行器需要4個(gè)高速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)本設(shè)計(jì)非常的重要。本設(shè)計(jì)方案由于采用mini版本，驅(qū)動(dòng)電流不能太大，電機(jī)正常工作電流是1A左右，故使用了SI2303的N溝道MOS管，它的最大電流可以達(dá)到3A，能保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3　軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)原理是由控制核心STM32F1讀取MPU6050傳感器三軸加速度，三軸陀螺儀角度，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波，然后用四元素來(lái)融合三軸加速度，三軸陀螺儀角度輸出數(shù)據(jù)，結(jié)算出相對(duì)與水平面的歐拉角，再把這個(gè)角度和遙控角度輸入PID控制器計(jì)算出四個(gè)電機(jī)的輸出值，綜合以上完成本設(shè)計(jì)的程序設(shè)計(jì)。

4　結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用了STM32F1單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了四軸飛行器的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了各種控制功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，制作精致，可以作為娛樂(lè)玩具，有一定的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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田豐（1995—），男，湖南常德人，電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科生。

許建明（1977—），男，湖南武岡人，碩士，副教授，主要從事電子技術(shù)研究。

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