单片机的航拍器的设计
目 录
引言 1
一、系统组成 1
二、STM32单片机的介绍 2
三、飞行控制 4
（一）飞行控制原理 4
（二）飞行控制设计 5
（三）PID参数调节 7
四、系统硬件设计 8
（一）电源电路 8
（二）飞控板电路设计 9
（三）遥控板电路设计 13
五、系统软件设计 14
（一）飞控板系统软件设计 14
（二）遥控板系统软件设计 17
六、飞行器的组装与调试 19
（一）组装焊接 19
（二）调试 22
（三）飞行器的试飞 24
结束语 24
参考文献 26
致谢 27
附录一 原理图 28
附录二 源程序 30
引言
在当今的21世纪，伴随着现代科技的无限飞速发展，各个领域的动机都已经进入到繁荣昌盛的季节，发展的速度超乎我们的想象，不论是软件还是硬件，其之迅猛的速度着实让人叹为观止。尤其是当今航空业，无论是军用还是民用飞行器，都已经达到了惊人的水平。
现实中，航拍器的应用已经渗透到各个领域，例如：它可以检测现代城市的交通状况，污染状况，空气能见度等各个方面。许多电影行业的风景取材都选用航拍无人机，来达到他们选择更好角度的目的，甚至航拍无人机甚至可以 搬运材料，作为军事侦查，在机身上搭载气体检测系统，可以检测到人类不能触碰的有害气体。而本设计主要用云台来实现航拍的功能，其他的功能经过后期的选择也可以实现。
四轴飞行器是建立在现代直升飞机的基础上打造的小型无人机，采用四轴旋翼是的飞行器能更加的稳定 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
，操作更加的灵活。飞行器相对于现代单轴直升机来说，他的机械构造的设计更为简单，将单轴所需要的电机性能分散到四个电机中，每一个电机的要求就不需要承受巨大的压力。四轴飞行器的平衡系统是有许多传感器的感应系统来创造，机身是一个核心部件，它的构造需要严谨一点，这样能实现四轴飞行器的灵活性好，机动性强，降落与起飞都能达到一定的稳定性。
本文主要根据现代民用娱乐无人机发展的感知进行研究的家庭娱乐型航拍飞行器，其过程必然是很复杂。其核心部分是STM32单片机，承载着一个大脑的作用。在硬件方面，由机身框架，通信模块，飞行主要有动力系统，控制电路，电源模块组成。并以PID作为控制器，姿态解算算法我们采用四元数加互补滤波算法，实现空中定点悬停，升降，水平位移，飞行，翻滚，云台增稳等功能，以STM32为基准的四轴航拍平台，把四轴飞行器作为载体，航拍系统作为云台的辅助系统。以保证它的灵活性，稳定性，抵抗性，适应性都能良好展现出来。
一、系统组成
四轴飞行器的主要组成我们分为硬件部分和软件部分，我们首先完成硬件部分。在系统硬件设计方面，主要遥控板和主控板（又称飞控板）两个部分组成，遥控板和主控板先经过我们实验室用Protel设计出来的电路图，然后做成PCB电路板实物图，最后到经过实际加工做成完成品。我们用2.4G无线模块作为遥控板的无线数据传输，用两个四向摇杆作为遥控板的控制输入。主控板也采用STM32作为控制处理核心，最终搭载固定在飞行器的机架中心部分，周围搭载四个电机，均匀的分布在四个角。在系统软件的设计方面，主要分为遥控板和飞控板两个部分，我们先来看遥控板软件的设计，遥控板的功能相对较简单，他的主要功能就是ADC数据的采集和数据的无线发送。其他主要功能都在体现在飞控板上。飞控板要经过无线数据的接收和捕获，以及结算自身的姿态，还有对电机进行一个PID计算 ，他有很多功能模块，例如：电池模块，电机模块，蓝牙无线传输，MPU6050传感器等等。首先通过遥控板的摇杆控制调节飞控端，遥控端主控制STM32单片机先对遥控板的遥控数据进行ADC的采集，然后经过2.4G无线通信模块，把采集到的数据发送至飞控板，飞控板实时结算，并控制飞行。遥控板的控制数据被ADC采集发出去并被飞控板的实时接收，飞控板捕获得到PPM命令信号，传感器与控制芯片之间用IIC总线连接，MCU与电机之间的信号用PWM传递和控制。软件方面的算法采用四元数的互补滤波来解算并分析姿态的控制，在飞行器的控制方面我们采用PID控制器来控制四轴飞行器的四个电机。总体框图如下图1所示。
图1 总体框图
二、STM32单片机的介绍
在之前我们的课堂上，我们对AT89C51单片机的了解比较高，但是AT89C51单片机，只适合小功率单通道的载体，已经能够满足不了作为四轴飞行器的载体了，所以，我们最终在飞控板和遥控板的主控核心单元方面都采用了STM32单片机，充当一个核心CPU。相对于我们之前所学到的AT89C51单片机，STM32的运行速度、操作方法，功能和内存方面都十分的强大，AT89C51是8位的，STM32是16位的,因为四轴飞行器的要求比较高，所以STM32是最适合不过了。
最终我们选择了STM32F103单片机，STM32F103是一个具有高速时钟的精简指令的微小型处理器，科技现代发展的迅速，把STM32处理器设计成这么小，而功能却十分的强大，有一种让人叹为观止的感觉。STM32F103的稳定工作频率可达72MHz，内核架构是于的ARM32位的Coretx-M3。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，7个定时器，80个快速I/O端口，16个输入通道，7通道DMA控制器，串行单线调试（SWD）和JTAG接口调试模式， 3个USART接口，2个I2C接口，2个18M位/秒的PI接口，USB2.0接口。所以STM32单片机，虽然是一个迷你的小CPU，其中却蕴含着这么大的功能速度，在本飞行器上最合适不过了，虽然在价格方面确实是比较贵，不过正能体现出它的价值所在。
STM32F103的引脚图如下图2所示。
图4 姿态控制系统示意图
经过系统的最终计算，我们会得到俯仰，横滚，侧向三个动作的控制量，将三个控制量分别输入到三个的PID控制器之中，就可以得到三个PID输出：pid_roll，pid_pitch，pid_yaw，然后将这三个输出量做一个简单的线性运算，最后输出给电机。下面就是飞行器四个电机简单的分配代码：
（一）电源电路
本设计的整体设计方案，采取模块化策略,把飞行器的每一个功能部分分开设计，每组模块设计完工之后，再将它们组合起来，然后进行调试。
图10 遥控板摇杆输入电路
遥控板采用NRF2.4G模块的驱动采用STM32的自带外设SPI2进行驱动，各个功能引脚的连接如表2所示。
表2 遥控板无限模块接线表
引言 1
一、系统组成 1
二、STM32单片机的介绍 2
三、飞行控制 4
（一）飞行控制原理 4
（二）飞行控制设计 5
（三）PID参数调节 7
四、系统硬件设计 8
（一）电源电路 8
（二）飞控板电路设计 9
（三）遥控板电路设计 13
五、系统软件设计 14
（一）飞控板系统软件设计 14
（二）遥控板系统软件设计 17
六、飞行器的组装与调试 19
（一）组装焊接 19
（二）调试 22
（三）飞行器的试飞 24
结束语 24
参考文献 26
致谢 27
附录一 原理图 28
附录二 源程序 30
引言
在当今的21世纪，伴随着现代科技的无限飞速发展，各个领域的动机都已经进入到繁荣昌盛的季节，发展的速度超乎我们的想象，不论是软件还是硬件，其之迅猛的速度着实让人叹为观止。尤其是当今航空业，无论是军用还是民用飞行器，都已经达到了惊人的水平。
现实中，航拍器的应用已经渗透到各个领域，例如：它可以检测现代城市的交通状况，污染状况，空气能见度等各个方面。许多电影行业的风景取材都选用航拍无人机，来达到他们选择更好角度的目的，甚至航拍无人机甚至可以 搬运材料，作为军事侦查，在机身上搭载气体检测系统，可以检测到人类不能触碰的有害气体。而本设计主要用云台来实现航拍的功能，其他的功能经过后期的选择也可以实现。
四轴飞行器是建立在现代直升飞机的基础上打造的小型无人机，采用四轴旋翼是的飞行器能更加的稳定 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
，操作更加的灵活。飞行器相对于现代单轴直升机来说，他的机械构造的设计更为简单，将单轴所需要的电机性能分散到四个电机中，每一个电机的要求就不需要承受巨大的压力。四轴飞行器的平衡系统是有许多传感器的感应系统来创造，机身是一个核心部件，它的构造需要严谨一点，这样能实现四轴飞行器的灵活性好，机动性强，降落与起飞都能达到一定的稳定性。
本文主要根据现代民用娱乐无人机发展的感知进行研究的家庭娱乐型航拍飞行器，其过程必然是很复杂。其核心部分是STM32单片机，承载着一个大脑的作用。在硬件方面，由机身框架，通信模块，飞行主要有动力系统，控制电路，电源模块组成。并以PID作为控制器，姿态解算算法我们采用四元数加互补滤波算法，实现空中定点悬停，升降，水平位移，飞行，翻滚，云台增稳等功能，以STM32为基准的四轴航拍平台，把四轴飞行器作为载体，航拍系统作为云台的辅助系统。以保证它的灵活性，稳定性，抵抗性，适应性都能良好展现出来。
一、系统组成
四轴飞行器的主要组成我们分为硬件部分和软件部分，我们首先完成硬件部分。在系统硬件设计方面，主要遥控板和主控板（又称飞控板）两个部分组成，遥控板和主控板先经过我们实验室用Protel设计出来的电路图，然后做成PCB电路板实物图，最后到经过实际加工做成完成品。我们用2.4G无线模块作为遥控板的无线数据传输，用两个四向摇杆作为遥控板的控制输入。主控板也采用STM32作为控制处理核心，最终搭载固定在飞行器的机架中心部分，周围搭载四个电机，均匀的分布在四个角。在系统软件的设计方面，主要分为遥控板和飞控板两个部分，我们先来看遥控板软件的设计，遥控板的功能相对较简单，他的主要功能就是ADC数据的采集和数据的无线发送。其他主要功能都在体现在飞控板上。飞控板要经过无线数据的接收和捕获，以及结算自身的姿态，还有对电机进行一个PID计算 ，他有很多功能模块，例如：电池模块，电机模块，蓝牙无线传输，MPU6050传感器等等。首先通过遥控板的摇杆控制调节飞控端，遥控端主控制STM32单片机先对遥控板的遥控数据进行ADC的采集，然后经过2.4G无线通信模块，把采集到的数据发送至飞控板，飞控板实时结算，并控制飞行。遥控板的控制数据被ADC采集发出去并被飞控板的实时接收，飞控板捕获得到PPM命令信号，传感器与控制芯片之间用IIC总线连接，MCU与电机之间的信号用PWM传递和控制。软件方面的算法采用四元数的互补滤波来解算并分析姿态的控制，在飞行器的控制方面我们采用PID控制器来控制四轴飞行器的四个电机。总体框图如下图1所示。
图1 总体框图
二、STM32单片机的介绍
在之前我们的课堂上，我们对AT89C51单片机的了解比较高，但是AT89C51单片机，只适合小功率单通道的载体，已经能够满足不了作为四轴飞行器的载体了，所以，我们最终在飞控板和遥控板的主控核心单元方面都采用了STM32单片机，充当一个核心CPU。相对于我们之前所学到的AT89C51单片机，STM32的运行速度、操作方法，功能和内存方面都十分的强大，AT89C51是8位的，STM32是16位的,因为四轴飞行器的要求比较高，所以STM32是最适合不过了。
最终我们选择了STM32F103单片机，STM32F103是一个具有高速时钟的精简指令的微小型处理器，科技现代发展的迅速，把STM32处理器设计成这么小，而功能却十分的强大，有一种让人叹为观止的感觉。STM32F103的稳定工作频率可达72MHz，内核架构是于的ARM32位的Coretx-M3。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，7个定时器，80个快速I/O端口，16个输入通道，7通道DMA控制器，串行单线调试（SWD）和JTAG接口调试模式， 3个USART接口，2个I2C接口，2个18M位/秒的PI接口，USB2.0接口。所以STM32单片机，虽然是一个迷你的小CPU，其中却蕴含着这么大的功能速度，在本飞行器上最合适不过了，虽然在价格方面确实是比较贵，不过正能体现出它的价值所在。
STM32F103的引脚图如下图2所示。
图4 姿态控制系统示意图
经过系统的最终计算，我们会得到俯仰，横滚，侧向三个动作的控制量，将三个控制量分别输入到三个的PID控制器之中，就可以得到三个PID输出：pid_roll，pid_pitch，pid_yaw，然后将这三个输出量做一个简单的线性运算，最后输出给电机。下面就是飞行器四个电机简单的分配代码：
（一）电源电路
本设计的整体设计方案，采取模块化策略,把飞行器的每一个功能部分分开设计，每组模块设计完工之后，再将它们组合起来，然后进行调试。
图10 遥控板摇杆输入电路
遥控板采用NRF2.4G模块的驱动采用STM32的自带外设SPI2进行驱动，各个功能引脚的连接如表2所示。
表2 遥控板无限模块接线表
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