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采用STM32设计的四轴飞行器飞控系统.pdf
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1、 引言
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,与普通的飞行器相比
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,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。因此四旋翼飞行器具有广阔的应用前景,
吸引了众多科研人员,成为国内外新的研究热点。
本设计主要通过利用惯性测量单元(IMU)姿态获取技术、PID 电机控制算法、2.4G
无线遥控通信技术和高速空心杯直流电机驱动技术来实现简易的四轴方案。整个系统的设计
包括飞控部分和遥控部分,飞控部分采用机架和控制核心部分一体设计增加系统稳定性,遥
控部分采用模拟摇杆操作输入使操作体验极佳,两部分之间的通信采用 2.4G 无线模块保证
数据稳定传输。飞行控制板采用高速单片机STM32 作为处理器,采用含有三轴陀螺仪、三
轴加速度计的运动传感器 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,最终根据 PID 控制算法通过 PWM 方式驱动空心杯电机来达到遥控目标。
2、 系统总体设计
系统硬件的设计主要分要遥控板和飞控板两个部分,遥控板采用常见羊角把游戏手柄的
外形设计,控制输入采用四向摇杆,无线数据传输采用2.4G 无线模块。飞控板采用控制处
理核心和机架一体的设计即处理器和电机都集成在同一个电路板上,采用常规尺寸能够采用
普通玩具的配件。系统软件的设计同样包括遥控板和飞控板两部分的工作,遥控板软件的设
计主要包括 ADC 的采集和数据的无线发送。飞控板的软件的设计主要包括无线数据的接收,
自身姿态的实时结算,电机 PID 增量的计算和电机的驱动。整个四轴飞行器系统包括人员
操作遥控端和飞行器控制端,遥控端主控制器 STM32 通过 ADC 外设对摇杆数据进行采集,
把采集到的数据通过 2.4G 无线通信模块发送至飞控端。飞控板的主要工作就是通过无线模
块进行控制信号的接收,并且利用惯性测量单元获得实时系统加速度和角速度原始数据,并
且最终解算出当前的系统姿态,然后根据遥控板发送的目标姿态和当姿态差计算出PID 电
机增量,然后通过 PWM 驱动电机进行系统调整来实现飞行器的稳定飞行。系统的总体设计
框图如图 1 所示。
图 1 系统总体设计框图
2、四轴飞行器的硬件设计
2.1 主控单元选择
从成本和性能综合考虑,飞控板和遥控板的主控单元都采用意法半导体公司的增强型高
速单片机 STM32F103 作为主控的,STM32F103 是基于的 ARM 32 位的 Cortex-M3 内核架
构,稳定工作频率可达 72MHz,是一个具有丰富资源、高速时钟的精简指令的微处理器。
STM32F103 拥有从 64K 或 128K 字节的闪存程序可选存储器,高达 20K 字节的 SRAM,2
个 12 位模数转换器多达 16 个输入通道,7 通道 DMA 控制器,多达 80 个快速 I/O 端口,
串行单线调试(SWD)和 JTAG 接口调试模式,多达 7 个定时器,多达 2 个 I2C 接口(支
持 SMBus/PMBus),多达 3 个 USART 接口(支持 ISO7816 接口,LIN,IrDA 接口和调制
解调控制),多达 2 个 SPI 接口(18M 位/秒),CAN 接口(2.0B 主动),USB2.0 全速接口。
主控单元原理图如图 2 所示。
图 2 主控单元原理图
2.2 飞控板电路设计
飞控板的核心设计是 MPU6050 测量传感器、NRF2401 无线模块以及飞控板电机
驱动等模块的设计。飞控系统的惯性测量单元采用 MPU6050 作为测量传感器,
MPU6050 的驱动方式采用 IIC 接口,时钟引脚 SCL 连接到 STM32 的 PB10,数据引
脚连接到 STM32 的 PB11 引脚,数据中断引脚连接到PB5,为了增强驱动能力在每个
引脚上都加入了 10K 的上拉电阻,原理图的设计如图 3 所示。
图 3 飞控板惯性测量单元原理图
相对于其他模块电系统也是比较重要的部分,飞控系统采用 3.7V 高放电倍率锂电
池进行供电。主控芯片供电部分和 IMU 传感器部分采用各自独立的 LDO 进行供电,这
样确保了系统的稳定性和 IMU 传感器数据采集的准确性,稳压直流电源模块的原理图
设计如图 4 所示。
图 4 飞控板电源稳压原理图
飞控板与遥控板数据的通信同样采用的是基于 2.4G 频段的 NRF2401 模块,确保
了数据的稳定传输。STM32 的 SPI1 外设对 2.4G 模块进行操作驱动,引脚的连接如下
表 1 所示。
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春哥111
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