Quadcopter-drone

1.1 项目概述

本项目是基于STM32的微型四轴无人机，相较于中大型四轴无人机，微型四轴无人机具有成本低、事故代价低、结构简单和量产率高等优势。控制核心采用STM32F103C8T6，姿态运动传感器选择MPU6050。无人机通过Si24R1（NRF24L01）与控制器进行2.4G无线通信，实现了即时有效地接收控制器指令，通过串级PID进行姿态控制，从而在空间中实现自由移动。

1.2 功能描述

1.2.1 姿态控制

通过MPU6050获取三轴加速度和三轴角速度，经过四元数姿态解算得到三种倾角。利用串级PID算法控制四轴无人机平衡状态。

1.2.2 实时操作系统

移植FreeRTOS实现多任务调度和管理。

1.2.3 数据显示

把测得电池电压、摇杆大小、2.4G信道数据实时显示在液晶屏幕上。

1.2.4 遥控控制

遥控板与飞控板通过2.4G信号交互，发送指令，控制四轴无人机上升下降、前进后退、左右移动。

1.3 系统总体设计

1）飞控板主要硬件

MCU：STM32F103C8T6

传感器：MPU6050六轴传感器

2.4G通讯：Si24R1国产

螺旋桨：带有刷电机，X型布局

电池：3.7V，2000mAh

其他：开关、LED等

2）遥控板主要硬件

MCU：STM32F103C8T6

2.4G通讯：Si24R1国产

显示屏：12864OLED

摇杆：左油门，右方向

按键：微调、对频

电池：3.7V，2000mAh

其他：开关、LED等

1.4 飞控相关理论

1.1.1 常用姿态解算

方法	描述	优点	缺点
角速度积分（欧拉角）	类似二维平面上∠θ =ω *t。 利用三维旋转矩阵映射到三维时空。	原理和运算量都简单，稳定性好	长时间积分会出现积分偏差。欧拉角存在万向锁的问题。
加速度解算	类似二维平面反三角函数∠θ =arctan(a 对边/b 临边)。三维旋转矩阵映射到三维时空	原理简单好理解	容易受振动影响
互补解算	由于单一传感器获得角度都有缺点，那就综合上述二者	综合了上述两者的优点	会受振动影响，并且动态性能差，大角度变化反应慢
四元数姿态解算	通过某个固定的算法得到角度	算法固定，数学理论 成熟，解算准确，计 算量小，效果直逼卡 尔曼	会受振动影响，角度回复有延迟。算法不容易理解
卡尔曼姿态评估	所谓评估就是综合某些因素，去估计姿态，就如同一部车驶来，你会根据它的速度评估下一秒的位置。	动态性能好	模型复杂，计算量大， 理论复杂。参数 难调

1.5 PID控制算法

​ P：比例 回复力（修正 误差）

​ I：积分 累计和 （修正 静态误差）

​ D：微分 变化率 （阻力）

内环是外环的微分

PID = p*偏差 + I*偏差的积分 + D*偏差的变化率 //偏差 = （实际值 - 期望值）
/**** PID控制器
* @param p  比例系数
* @param i  积分系数
* @param d  微分系数
* @param setPoint  设定值
* @param feedback  实际值
* @return 控制量
*/
float PID(float p,float i,float d,float setPoint,float feedback)
{
    static float errLast = 0; //上一次的偏差
    static float integral = 0; //积分和
    float err = setPoint - feedback; //当前偏差
    integral += err; //累计偏差
    float dErr = err - errLast; //偏差变化率
    errLast = err; //更新偏差
    return p*err + i*integral + d*dErr; //返回控制量
}

1.6周期控制

使用FreeRTOS控制的周期中，发送的周期一定要大于接收的周期

2.0驱动层

（1）IIC：用于MPU6050

（2）SPI：用于2.4G模块和OLED

（3）ADC：采集4个摇杆和电池电压

（4）定时器：PWM输出控制螺旋桨电机

（5）USART：方便打印调试

（6）GPIO：按键

2.1硬件接口层有哪些硬件

（1）MPU6050：获取三轴角速度、加速度

（2）8520空心杯电机：有刷、直流，4个螺旋桨X型布局。

（3）Si24R1：2.4G无线通信模块

（4）摇杆、按键

3.0应用层做了那些事情

（串级PID）串级PID就是在原先的PID控制块的前面再接一个PID控制块，叫做外环，内外环串接起来就是大概下面这个样子。外环PID想要直接获取到当前的位移是比较困难的，所以做下面的处理来间接获取

https://s2.51cto.com/images/blog/202108/09/2dce1b6169f640ad6a30596d6a0f48ef.jpeg?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_30,g_se,x_10,y_10,shadow_20,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=/format,webp

1）*姿态计算*

（1）MPU6050原始数据处理转换（这里MPU直接读取到角速度的值，所以角速度是最快得到的，角速度反应高于加速度，所以选择反应快，受干扰小的角速度做内环）。

（2）零偏校准。

（3）三轴加速度简易卡尔曼滤波。

（4）三轴角速度一阶低通滤波（给解算四元数提供数据）。

（5）四元数解算得到欧拉角（俯仰角，偏航角，横滚角）//三维空间的四个数据，代表空间和运动的趋时。

2）*串级PID*

（1）内环：角速度环

（2）外环：角度环

三个欧拉角都进行串级PID处理，根据螺旋桨控制的方向，叠加在4个螺旋桨的PWM。

3）*摇杆和按键处理*

（1）ADC读取4个摇杆数据，转换、滑动窗口滤波、限幅。

（2）左按键中点校准：长按按键，进行摇杆中点值校准。

4）*无线遥控*

（1）根据自定义通信协议，封装遥控数据成数据帧。

（2）遥控板通过2.4G发送，飞控板通过2.4G接收。

（3）飞控板解析数据，进行校验、指令判断。

（4）添加失联处理：2.4G失联自动缓慢落地、尝试重连。

5）*数据显示逻辑*

（1）显示信道号。

（2）显示4个摇杆的幅度大小。