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开源基于STC15W4K61S4的微型四旋翼

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前言:

       记得在上大二下的时候参加了2015全国电子设计大赛,题目刚下来便决定了做C题"多旋翼的自主飞行器"4天3夜拿到瑞萨最小系统后便开始写各个模块的驱动代码,因为有开发环境CUBE的神助攻,所以前期的驱动代码是还很顺利的。接下来便是飞行器的组装和电路板 制作,在一起就绪后花掉了2天时间,剩下的两天便疯狂调试,最苦恼的是电池供给跟不上,无奈只能调调停停,初次制作算法也还不够成熟,我直接用的以前做平衡车的经验。不过最后飞得也还算平稳,用的手机加蓝牙控制飞行(后来想一想也是胆大),但题目要求自主飞行,于是我便苦恼了,我便开始记录四旋翼起飞的油门,在起飞后直接给油门(危险)效果也还可以,就在比赛前一天晚上出事故了 一块刚充满电的电池 我装上做最后测试。电池电量过高 直接结果导致飞机飞太高撞到了天花板,结果将飞机撞坏了一个电机,桨就不用说了  惨,不过幸运的是人没事。队友也傻了,怎么办?此时已是凌晨1点。我们捡起“残骸”拍拍上面的灰,听了首“安河桥”便开始和队友一起埋头苦干。哈哈···最后在早上6点前飞机修好了 虽然效果大打折扣 不过最基本的任务还算能够完成。第二天比赛,我们是下午开始。第一次参赛,试飞的时候发现异常,冷静后发现超声波线松了 排除故障后开始比赛,比赛结果就不往下写了。(。。。。。)无论怎样我很享受这个过程。比赛结束后便有了做一个小四轴的想法,于是便在网上搜索资料,偶然看到了STC的这个开源项目,于是便自己也动手做了一个,控制代码我也有重写,现分享给大家!!!一起交流!!!

功能概述:

      本设计是基于STC15W4K61S4的微型四轴。以STC15W4K61S4为主控。硬件包括,mpu6050传感器,电源,nrf2401通信模块,720空心杯电机,PCB机架。姿态解算采用四元数,串级PID作为控制器,配合遥控器实现 俯仰,横滚,偏航姿态控制。主要用于学习和理解四轴飞行器的基本原理。

实物图:

应用场景:

      

控制思路:

        首先调整电机1,3同向 2,4同向 且相邻电机旋转反相在X型模式下首先通过mpu6050获取三轴加速度计和三轴陀螺仪数据 经过数据处理融合后 得到姿态角度pitch roll 以及Z轴陀螺仪积分出 yaw角。将得到的姿态角送入PID控制器计算输出对应的油门补偿对应的电机 从而使四旋翼平衡。简单来说飞机往那边沉 对应的电机就加速提高升力抵抗它下沉,它的下沉程度是通过角度来反映的而已,具体补偿多少合适,则是通过PID控制器计算的而已。单纯通过角度误差来控制,是属于单级的PID 控制。经过试验这种控制策略应用在小四轴效果不太理想,因此我们通常采用的串级PID控制小四轴,即引入了角速度环,通常内环使用PD(对象角速度)外环使用PI(对象角度&内环输出)这样的控制策略在测试中效果较好,但理想的参数调整比较难因此需要耐心调试才能得到较好的效果。

系统框图:







系统硬件设计组成:

     主控:STC15W4K61S4     (封装:LQFP32)

     传感器:MPU6050(三轴加速度计,三轴陀螺仪)(封装:QFN)  http://www.datasheet5.com/pn-MPU-6050-1083104

     电机:720空心杯    

     MOS管   AO3400A (封装:SOT23_M)  http://www.datasheet5.com/pn-AO3400A-1215185

    2.4G无线:NRF2401 (模块)  http://www.datasheet5.com/datasheet/NRF2401/250319...

    电源芯片:

    ME6219 (封装:SOT95) http://www.bom2buy.com/search/ME6219

    BL8530-501SM(封装:SOT89)    http://www.datasheet5.com/pdf/BL8532/1751621/BELLI...

元器件成本估算:

部分器件成本估算:http://www.bom2buy.com/list/1312-stc15w4k61s4

总结:

此项目在大三上完成,经过调试  能够实现基本飞行,同时也存在以下问题:

参数应该还不够理想(遥控器跟随效果不好)。

PCB设计过大 导致超重,因为担心手焊的MPU不好使故留了较多直插模块接口同时还考虑到十字和X型所以各留了一个这样的直插接口。

这是一次不错的动手经历吧,从原理图PCB到代码都是自己一个人完成,每当遇到问题就网上寻求答案,过程还是很坎坷的,不过也特别有意思。同时也学到很多知识,做事情也更加细心严谨!

测试结果:

     手机里翻了半天总算找到了一点视频上传与大家分享,效果不太好希望勿喷。



电路相关文件

电路图文件
PCB.zip
描述:原理图和PCB
其他文件
VisualScope.zip
描述:虚拟示波器
教程
readme.txt
描述:说明
源代码
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发布于 2017 年 02 月 20日
更新于 2017 年 07 月 07日
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