基于STC15的四旋翼飞控系统设计

南京科技职业学院 张 杨 牛宗超

本文设计了一种新型四轴旋翼无人飞行器控制核心部分，从硬件（包括微控制模块、加速度计与陀螺仪模块、无线数据传输模块、电机驱动模块、电源模块等）和软件（包括无线通信、飞行姿态以及对姿态的测量等）两方面阐述设计原理。给出了基于STC15单片机的小型无人机飞控系统总体设计方案和软件流程。

无人飞行器又称无人机，英文简称为UAV，其是利用无线电远程遥控的、自带程序控制装置操纵的或者由搭载的计算机完全地或不完全地自动操作不载人飞行器。本文设计的无人飞行器除灵活机动性有优势外，更有具有体积小、成本低、使用方便等优点。本文基于以上现状，设计了一种以IAP15W4K58S4为核心的四轴旋翼无人飞行控制器。

1 系统结构与组成

1.1 结构

四旋翼飞行器的螺旋桨转速是由通过控制搭载的四个无刷电机来改变的，以控制升力的变化从而实现对飞行器位置以及各种姿态的控制。

1.2 组成

所设计的四轴飞行器主要由机身主体、动力系统、控制系统三大部分组成。本系统使用了MPU6050作为姿态测量芯片，采用NRF24L01+芯片作为系统的数据传输芯片，由场效应管驱动四个电机旋转，持续增加二极管的续流，防止场效应管被电机返电动势击穿。

本系统整体框图如图1所示。

图1 四旋翼飞行器原理框图

2 系统硬件设计

2.1 微控制器模块

本设计IAP15W4K58S4作为系统的主处理器。该单片机可以调制出250～450hz的PWM脉冲方波，送给驱动电路，频率越高转速会越快。

2.2 加速度计和陀螺仪模块

MPU-6050芯片是一款9轴运动处理传感器,包括3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，还有一个可扩展的数字运动处理器DMP。MPU6050模块原理图，如图2所示。

图2 MPU6050模块原理图

2.3 无线数据传输模块

在无线数据传输模块方面，为了解决遥控器与无人机之间的通信问题，本设计采用了NRF24L01芯片无线数据传输模块。NRF24L01的工作频段在2.4Ghz～2.5Ghz之间，可以通过SPI接口设置协议，选择输出功率。无线数据传输模块如图3所示。

图3 无线数据传输模块

2.4 电机驱动模块

在控制和驱动直流电机方面，我们采用了N沟道场效应管，不仅仅能通过最大为2.8A的电流还具备有较大的漏极电流，以保障绝对的安全。

2.5 电源模块

电源采用了BL8530芯片作为电源部分的芯片，这个芯片具有极强的负载驱动能力，极低的启动电压且电压精度可以达到2%，效率能达到85%之高。电源模块如图4所示。

图4 BL8530芯片模块

3 系统软件设计

3.1 总体设计

多旋翼无人机的飞行原理是通过改变四个电机的的旋转速度从而实现改变螺旋桨的转动速度，实现其升降，然后使飞行器达到稳定的姿态。此外，它是一种六个方向自由度的垂起飞行器，虽然只有四个通道输入力，但可以提供六个状态的输出，所以被我们称之为欠驱动系统。飞行控制系统参与控制才能保证这种系统完成飞行。

飞行控制系统的程序流程图，如图5所示。

3.2 姿态控制

只有在飞行器的姿态、角度等信息计算出来后，飞控才可以进行输出与控制。其表示方式可以分为欧拉角控制和四元数控制。控制的思路为：调整四个直流电机的转动速度，使测量结果接近目标姿态。选用PID控制器，可以规避较为复杂的精准的动力学建模。

结束语：本文设计了一种四轴旋翼无人飞行器，阐述了其软硬件优势，通过设计原理了解该四轴旋翼无人机较传统多旋翼无人机在体积、便捷性、成本上更胜一筹。近几年来，无人机一直都是研究领域的热门，随着国家对民用无人机的支持与民用航空的开发，通过便携性高、成本低、响应速度快的无人机构建民用航空生态网络的路一片光明。