DIY高大上!用STM32单片机搞定四旋翼无人机飞控

目前发现国内正儿八经机器人、无人机并且还能活跃地上网关注行业前沿动向、热爱写科普文章的研究人员原来越少。因此所有的研究回答里都没有人真正说明白无人机到底是什么,而理解无人机到底是什么才是回答这个问题的先决条件。
什么是无人机
首先,无人机就是不载人的飞行器,而说到飞行器,通常我们又可以把飞行器分为三类。
1、固定翼(fixed wing)。平时坐的波音747空客A380,还有F-16歼-15之类的都是固定翼飞机。顾名思义就是翅膀形状固定,靠流过机翼的风提供升力。动力系统包括桨和助推发动机。固定翼根据机翼尺寸的不同还有很多小的分类,在此不细说。固定翼飞行器的优点是在三类飞行器里续航时间最长、飞行效率最高、载荷最大,缺点是起飞的时候必须要助跑,降落的时候必须要滑行。
2、直升机(helicopter)。特点是靠一个或者两个主旋翼提供升力。如果只有一个主旋翼的话,还必须要有一个小的尾翼抵消主旋翼产生的自旋力。为了能往前后左右飞,主旋翼有极其复杂的机械结构,通过控制旋翼桨面的变化来调整升力的方向。动力系统包括发动机、整套复杂的桨调节系统、桨。直升机的优点是可以垂直起降,续航时间比较中庸,载荷也比较中庸。缺点是极其复杂的机械结构导致了比较高的维护成本。
3、多旋翼(multi-rotor)。四个或者更多个旋翼的直升机,也能垂直起降,但是通常只有直升机叫直升机,多旋翼就叫多旋翼,而不叫多旋翼直升机。四旋翼特别叫做quadrotor。多旋翼机械结构非常简单,动力系统只需要电机直接连桨就行。下图是直升机的动力系统结构,再下图是多旋翼的动力系统结构。不懂机械的人也能看出多旋翼简单得多。多旋翼的优点是机械简单,能垂直起降,缺点是续航时间最短,载荷也最小。
今天来给大家介绍下四旋翼无人机,看看怎么是真正的技术,吼吼吼……
DIY高大上!用STM32单片机搞定四旋翼无人机飞控
1.i2c通信方式;
因为我不是学电类专业,最开始对i2c这些是没有一点概念,最后通过Google了解了一些原理,然后发现STM32的开发库是带有i2c通信的相关函数的,但是我最后还是没有用这些函数。
我通过GPIO模拟i2c,这样也能获得mpu6050的数据,虽然代码多了一些,但是比较好的理解i2c的原理。
STM32库实现的模拟i2c代码(注释好像因为编码问题跪了):
DIY高大上!用STM32单片机搞定四旋翼无人机飞控DIY高大上!用STM32单片机搞定四旋翼无人机飞控DIY高大上!用STM32单片机搞定四旋翼无人机飞控DIY高大上!用STM32单片机搞定四旋翼无人机飞控DIY高大上!用STM32单片机搞定四旋翼无人机飞控DIY高大上!用STM32单片机搞定四旋翼无人机飞控DIY高大上!用STM32单片机搞定四旋翼无人机飞控DIY高大上!用STM32单片机搞定四旋翼无人机飞控
2.PID控制算法;
由于简单的线性控制不可能满足四轴飞行器这个灵敏的系统,引入PID控制器来更好的纠正系统。
简介:PID实指“比例proportional”、“积分integral”、“微分derivative”,这三项构成PID基本要素。每一项完成不同任务,对系统功能产生不同的影响。
DIY高大上!用STM32单片机搞定四旋翼无人机飞控
以Pitch为例:
DIY高大上!用STM32单片机搞定四旋翼无人机飞控
error为期望角减去实时角度得到的误差;
iState为积分i参数对应累积过去时间里的误差总和;
if语句限定iState范围,繁殖修正过度;
微分d参数为当前姿态减去上次姿态,估算当前速度(瞬间速度);
总调整量为p,i,d三者之和;
这样,P代表控制系统的响应速度,越大,响应越快。
I,用来累积过去时间内的误差,修正P无法达到的期望姿态值(静差);
D,加强对机体变化的快速响应,对P有抑制作用。
PID各参数的整定需要综合考虑控制系统的各个方面,才能达到最佳效果。
输出PWM信号:
PID计算完成之后,便可以通过STM32自带的定时资源很容易的调制出四路pwm信号,采用的电调pwm格式为50Hz,高电平持续时间0.5ms-2.5ms;
我以1.0ms-2.0ms为每个电机的油门行程,这样,1ms的宽度均匀的对应电调的从最低到最高转速。
至此,一个用stm32和mpu6050搭建的飞控系统就算实现了。