基于STM32的MINI四轴飞行器设计

邵阳学院　田　丰　许建明　陈炯明



基于STM32的MINI四轴飞行器设计

邵阳学院田丰许建明陈炯明

【摘要】本文介绍了四轴飞行器的基本工作原理，设计和制作了一种简化版四轴飞行器。系统由飞行控制系统的硬件设计和软件设计组成，硬件包含MCU、运动传感器、电源管理模块、电机驱动模块、通信模块等。MCU选用ST公司的STM32F1系列微控制器，运动传感器选用MPU6050六轴传感器，电源管理模块选用XC6206低压差线性稳压模块，电机驱动模块选用SOT-23封装的AO3400场效应管，通信模块选用串口蓝牙模块。软件主要由姿态解算模块、PID控制模块、通信协议等组成。经测试飞行器能够完成基本的功能和技术指标。

【关键词】微控制器；四轴飞行器；传感器

1　系统工作原理

本设计的处理器采用意法半导体公司的微控制器STM32F103C8T6，该处理器内核架构ARM Cortex-M3，具有高性能、低功耗、低成本等特点，十分适合中型复杂度的产品的控制。传感器MPU6050六轴运动检测模块、通信采用了蓝牙串口模块、电机驱动使用的是MOS管，电源管理模块等；遥控采用自己制作的遥控器。当控制数据据传到控制板上时，控制板解析数据命令，并将命令作为参数输入到PID控制器中参与计算。最后输入的数是融合后的遥控数据。系统设计总框图如图1所示。

图1　系统框图

2　硬件系统设计

2.1微控制器电路

STM32F103单片机正常运行是需要一定基本的电路条件，如果这些条件不满足，微控制器是无法正常运行，这些细节工作必须要先做好才能够防止后面不稳定问题。

(1)复位电路

复位电路是一个单片机系统必备的电路，当MCU的供电电压有变化时，复位电路可以产生复位信号，让MCU发生复位，这样就可以避免因为电压波动造成了MCU的程序跑飞等问题。一个可靠的复位十分重要，本设计采用的是阻容复位，这样设计的好处是电路简单，成本低廉。

(2)时钟电路

单片机是数字时序电路的一种，数字时序电路都需要时钟源，采用晶振为单片机提供时钟信号。晶振采用8MHz，在STM32F103内部有PLL电路，可以把这个8MHz的信号倍频到72MHz和更高速的频率。

2.2稳压电路

STM32F103运行电压是3.3V，而电池的正常供电电压是3.5V到4.2V之间，所以不能够直接作为单片机和系统的电源，本设计采用了ME6206A稳压芯片。该稳压芯片的电路应用十分的简单，性能非常好。

2.3电池电压检测电路

锂电池有容量大，重量小，无记忆效应等特点而被广泛使用，但锂电池有一个很大的缺点就是不能过充和过放，过放会鼓气，过充会爆炸，所以在四轴上设计过程中选用了一个ADC电路来检测电池的电压， 一旦检测到电池电压过低，就报警，提醒用户换电池。

2.4电机驱动电路

四轴飞行器需要4个高速的电机驱动，电机驱动对本设计非常的重要。本设计方案由于采用mini版本，驱动电流不能太大，电机正常工作电流是1A左右，故使用了SI2303的N沟道MOS管，它的最大电流可以达到3A，能保证电机的正常运转，驱动电路如图2所示。

图2　电机驱动电路

3　软件设计

软件设计原理是由控制核心STM32F1读取MPU6050传感器三轴加速度，三轴陀螺仪角度，并进行适当的滤波，然后用四元素来融合三轴加速度，三轴陀螺仪角度输出数据，结算出相对与水平面的欧拉角，再把这个角度和遥控角度输入PID控制器计算出四个电机的输出值，综合以上完成本设计的程序设计。

4　结束语

本设计采用了STM32F1单片机实现了四轴飞行器的运动控制，实现了各种控制功能，达到了设计要求，电路设计简单，制作精致，可以作为娱乐玩具，有一定的市场应用价值。

参考文献

[1]江世明,许建明,朱群峰,申寿云.单片机原理及应用[M].上海:上海交通大学出版社,2013.

[2]韩克,薛迎霄.单片机应用技术[M].北京:电子工业出版社, 2013.

[3]张毅刚,彭喜元,等.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2012.

田丰（1995—），男，湖南常德人，电子科学与技术专业本科生。

许建明（1977—），男，湖南武冈人，硕士，副教授，主要从事电子技术研究。

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