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1.飞行原理 【垂直运动】 当 mg#xff1e;F1F2F3F4#xff0c;此时做下降加速飞行 当 mg#xff1c;F1F2F3F4#xff0c;此时做升高加速飞行 当 mgF1F2F3F4 #xff0c;此时垂直上保持匀速飞行。 【偏航飞行】 ω 4 ω 2 ≠ ω 1 ω 3 就会产生水…【一些入门知识】
1.飞行原理 【垂直运动】 当 mgF1F2F3F4此时做下降加速飞行 当 mgF1F2F3F4此时做升高加速飞行 当 mgF1F2F3F4 此时垂直上保持匀速飞行。 【偏航飞行】 ω 4 ω 2 ≠ ω 1 ω 3 就会产生水平旋转 【俯仰飞行】 当 F1F4F2F3 向前飞行 当 F1F4F2F3 向后飞行 【横滚飞行】 当 F4F3F1F2 向右飞行 当 F4F3F1F2 向左飞行 2.串级PID 3.飞控的控制系统 4.姿态解算 一.硬件设计简
【主控】
1.电源3.7V锂电池供电 - DCDC升压至5V - LDO稳压3.3V
2.USB - 上位机
3.SPI - NRF24L01无线通讯
4.I2C - MPU6050陀螺仪
5.4个PWM
6.主控STM32F103C8T6
【遥控】
1.电源3.7V锂电池供电 - LDO稳压3.3V
2.I2C - AT24CO2
3.4个ADC - 两个遥感
4.8个IO口 - 8个按键
5.SPI - NRF24L01无线通讯
6.主控STM32F103C8T6
二.主控程序
【MPU6050读取飞控三轴加速度、角速度 并且 卡尔曼滤波】
通过 MPU6050 寄存器手册我们需要读取的三轴加速度和三轴角速度位于寄存器 0x3B~0X48读取数据后需要合成 16bit 的数据。 //从 0x3B 读取 6 个字节放到 buffer 里面
#define Acc_Read() i2cRead(0x68, 0X3B,6,buffer)//从 0x43 读取 6 个字节放到 buffer 里面
#define Gyro_Read() i2cRead(0x68, 0x43,6,buffer[6])void MpuGetData(void) //读取陀螺仪数据加滤波
{uint8_t i;uint8_t buffer[12];Acc_Read();//读取加速度Gyro_Read();//读取角速度for(i0;i6;i){//整合为 16bit并减去水平静止校准值pMpu[i] (((int16_t)buffer[i1] 8) | buffer[(i1)1])-MpuOffset[i];if(i 3)//对加速度做卡尔曼滤波{{//卡尔曼滤波的数据初始化这个 8192 是初始化默认 1 个 g 的加速度static struct _1_ekf_filter ekf[3] {{0.02,0,0,0,0.001,0.543}{0.02,0, 0,0,0.001,0.543},{0.02,0, 0,0,0.001,0.543}};kalman_1(ekf[i],(float)pMpu[i]); //调用一维卡尔曼滤波函数pMpu[i] (int16_t)ekf[i].out;//卡尔曼滤波输出}}if(i 2)//以下对角速度做一阶低通滤波{uint8_t ki-3;const float factor 0.15f; //滤波因素因数越小滤波力度越大static float last_mpuData[3];//滤波并保存滤波数据 last_mpuData[k] last_mpuData[k] * (1 - factor) pMpu[i] * factor; pMpu[i] last_mpuData[k]//滤波输出}}
} 【遥控数据解析】 void RC_Analy(void)
{static uint16_t cnt;if(NRF24L01_RxPacket(RC_rxData)SUCCESS){ uint8_t i;uint8_t CheckSum0;uint16_t thr;cnt 0;for(i0;i31;i){CheckSum RC_rxData[i]; //检查数据的数量是否是31个}if(RC_rxData[31]CheckSum RC_rxData[0]0xAA RC_rxData[1]0xAF) //如果接收到的遥控数据正确{Remote.roll ((uint16_t)RC_rxData[4]8) | RC_rxData[5]; //通道1Remote.roll LIMIT(Remote.roll,1000,2000);Remote.pitch ((uint16_t)RC_rxData[6]8) | RC_rxData[7]; //通道2Remote.pitch LIMIT(Remote.pitch,1000,2000);Remote.thr ((uint16_t)RC_rxData[8]8) | RC_rxData[9]; //通道3Remote.thr LIMIT(Remote.thr,1000,2000);Remote.yaw ((uint16_t)RC_rxData[10]8) | RC_rxData[11]; //通道4Remote.yaw LIMIT(Remote.yaw,1000,2000);Remote.AUX1 ((uint16_t)RC_rxData[12]8) | RC_rxData[13]; //通道5 左上角按键都属于通道5 Remote.AUX1 LIMIT(Remote.AUX1,1000,2000);Remote.AUX2 ((uint16_t)RC_rxData[14]8) | RC_rxData[15]; //通道6 右上角按键都属于通道6 Remote.AUX2 LIMIT(Remote.AUX2,1000,2000);Remote.AUX3 ((uint16_t)RC_rxData[16]8) | RC_rxData[17]; //通道7 左下边按键都属于通道7 Remote.AUX3 LIMIT(Remote.AUX3,1000,2000);Remote.AUX4 ((uint16_t)RC_rxData[18]8) | RC_rxData[19]; //通道8 右下边按键都属于通道6 Remote.AUX4 LIMIT(Remote.AUX4,1000,4000); {const float roll_pitch_ratio 0.04f;const float yaw_ratio 0.3f; pidPitch.desired -(Remote.pitch-1500)*roll_pitch_ratio; //将遥杆值作为飞行角度的期望值pidRoll.desired -(Remote.roll-1500)*roll_pitch_ratio;if(Remote.yaw1820){pidYaw.desired - yaw_ratio; }else if(Remote.yaw 1180){pidYaw.desired yaw_ratio; } }remote_unlock();}}
//如果3秒没收到遥控数据则判断遥控信号丢失飞控在任何时候停止飞行避免伤人。
//意外情况使用者可紧急关闭遥控电源飞行器会在3秒后立即关闭避免伤人。
//立即关闭遥控如果在飞行中会直接掉落可能会损坏飞行器。else{cnt;if(cnt500){cnt 0;ALL_flag.unlock 0; NRF24L01_init();}}
} 【PID控制器的设计】 void FlightPidControl(float dt)
{volatile static uint8_t statusWAITING_1;switch(status){ case WAITING_1: //等待解锁if(ALL_flag.unlock){status READY_11; } break;case READY_11: //准备进入控制pidRest(pPidObject,6); //批量复位PID数据防止上次遗留的数据影响本次控制Angle.yaw pidYaw.desired pidYaw.measured 0; //锁定偏航角status PROCESS_31;break; case PROCESS_31: //正式进入控制if(Angle.pitch-50||Angle.pitch50||Angle.roll-50||Angle.roll50)//倾斜检测大角度判定为意外情况则紧急上锁 if(Remote.thr1200)//当油门的很低时不做倾斜检测ALL_flag.unlock EMERGENT;//打入紧急情况pidRateX.measured MPU6050.gyroX * Gyro_G; //内环测量值 角度/秒pidRateY.measured MPU6050.gyroY * Gyro_G;pidRateZ.measured MPU6050.gyroZ * Gyro_G;pidPitch.measured Angle.pitch; //外环测量值 单位角度pidRoll.measured Angle.roll;pidYaw.measured Angle.yaw;pidUpdate(pidRoll,dt); //调用PID处理函数来处理外环 横滚角PID pidRateX.desired pidRoll.out; //将外环的PID输出作为内环PID的期望值即为串级PIDpidUpdate(pidRateX,dt); //再调用内环pidUpdate(pidPitch,dt); //调用PID处理函数来处理外环 俯仰角PID pidRateY.desired pidPitch.out; pidUpdate(pidRateY,dt); //再调用内环CascadePID(pidRateZ,pidYaw,dt); //也可以直接调用串级PID函数来处理break;case EXIT_255: //退出控制pidRest(pPidObject,6);status WAITING_1;//返回等待解锁break;default:status EXIT_255;break;}if(ALL_flag.unlock EMERGENT) //意外情况请使用遥控紧急上锁飞控就可以在任何情况下紧急中止飞行锁定飞行器退出PID控制status EXIT_255;
} 【4路PWM电机驱动】 void TIM2_PWM_Config(void)
{TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;/* 使能 GPIOA 时钟时钟 */RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 |GPIO_Pin_3;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure);/* 使能定时器 2 时钟 */RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);/* Time base configuration */TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period 999; //定时器计数周期 0-999 1000TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler 8; //设置预分频81 分频 8K PWM 频率TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision 0; //设置时钟分频系数不分频TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式TIM_TimeBaseInit(TIM2, TIM_TimeBaseStructure);/* PWM1 Mode configuration: Channel */TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode TIM_OCMode_PWM1; //配置为 PWM 模式 1TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse 0;//设置跳变值当计数器计数到这个值时电平发生跳变(即占空比) 初始值 0TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity TIM_OCPolarity_High;//当定时器计数值小于定时设定值时为高电平/* 使能通道 1 */TIM_OC1Init(TIM2, TIM_OCInitStructure);TIM_OC1PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);/* 使能通道 2 */TIM_OC2Init(TIM2, TIM_OCInitStructure);TIM_OC2PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);/* 使能通道 3 */TIM_OC3Init(TIM2, TIM_OCInitStructure);TIM_OC3PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);
/* 使能通道 4 */TIM_OC4Init(TIM2, TIM_OCInitStructure);TIM_OC4PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE); // 使能 TIM2 重载寄存器 ARRTIM_Cmd(TIM2, ENABLE); //使能定时器 2
} 【解锁 - 启动步骤 - 电机动力分配】
void MotorControl(void)
{ volatile static uint8_t statusWAITING_1;if(ALL_flag.unlock EMERGENT) //意外情况请使用遥控紧急上锁飞控就可以在任何情况下紧急中止飞行锁定飞行器退出PID控制status EXIT_255; switch(status){ case WAITING_1: //等待解锁 MOTOR1 MOTOR2 MOTOR3 MOTOR4 0; //如果锁定则电机输出都为0if(ALL_flag.unlock){status WAITING_2;}case WAITING_2: //解锁完成后判断使用者是否开始拨动遥杆进行飞行控制if(Remote.thr1100){low_thr_cnt_quiet0;low_thr_cnt0;pidRest(pPidObject,6);status PROCESS_31;}break;case PROCESS_31:{int16_t temp,thr;temp Remote.thr -1000; //油门定高输出值//油门比例规划thr 2500.45f * temp;if(temp10) //自动关停判断{if(low_thr_cnt1500)low_thr_cnt;thr thr-(low_thr_cnt*0.6);//油门摇杆值慢慢降为0 if(MPU6050.accZ8500MPU6050.accZ7800){low_thr_cnt;if(low_thr_cnt600)//1800ms{thr 0;pidRest(pPidObject,6);MOTOR1 MOTOR2 MOTOR3 MOTOR4 0;status WAITING_2;break;}}} else low_thr_cnt0;MOTOR1 MOTOR2 MOTOR3 MOTOR4 LIMIT(thr,0,700); //留100给姿态控制//以下输出的脉冲分配取决于电机PWM分布与飞控坐标体系。请看飞控坐标体系图解与四个电机PWM分布分布
// 机头
// PWM3 ♂ PWM1
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// PWM4 PWM2
// pidRateX.out 横滚角串级PID输出 控制左右可以看出1 2和3 4左右两组电机同增同减
// pidRateY.out 俯仰角串级PID输出 控制前后可以看出2 3和1 4前后两组电机同增同减
// pidRateZ.out 横滚角串级PID输出 控制旋转可以看出2 4和1 3两组对角线电机同增同减 // 正负号取决于算法输出 比如输出是正的话 往前飞必然是尾巴两个电机增加,往右飞必然是左边两个电机增加 MOTOR1 pidRateX.out pidRateY.out pidRateZ.out;//; 姿态输出分配给各个电机的控制量MOTOR2 pidRateX.out - pidRateY.out - pidRateZ.out ;//;MOTOR3 - pidRateX.out pidRateY.out - pidRateZ.out;MOTOR4 - pidRateX.out - pidRateY.out pidRateZ.out;//;} break;case EXIT_255:MOTOR1 MOTOR2 MOTOR3 MOTOR4 0; //如果锁定则电机输出都为0status WAITING_1; break;default:break;}TIM2-CCR1 LIMIT(MOTOR1,0,1000); //更新PWMTIM2-CCR2 LIMIT(MOTOR2,0,1000);TIM2-CCR3 LIMIT(MOTOR3,0,1000);TIM2-CCR4 LIMIT(MOTOR4,0,1000);
}
【水平校准】 MPU6050 获取的数值要减去水平静止校准值才是真正的飞控可用数据 void MpuGetOffset(void) //校准
{int32_t buffer[6]{0};int16_t i; uint8_t k30;const int8_t MAX_GYRO_QUIET 5;const int8_t MIN_GYRO_QUIET -5;
/* wait for calm down */int16_t LastGyro[3] {0};int16_t ErrorGyro[3]; /* set offset initial to zero */memset(MpuOffset,0,12);MpuOffset[2] 8192; //set offset from the 8192 TIM_ITConfig( //使能或者失能指定的TIM中断TIM1,TIM_IT_Update ,DISABLE //使能); while(k--)//30次静止则判定飞行器处于静止状态{do{delay_ms(10);MpuGetData();for(i0;i3;i){ErrorGyro[i] pMpu[i3] - LastGyro[i];LastGyro[i] pMpu[i3]; } }while ((ErrorGyro[0] MAX_GYRO_QUIET )|| (ErrorGyro[0] MIN_GYRO_QUIET)//标定静止||(ErrorGyro[1] MAX_GYRO_QUIET )|| (ErrorGyro[1] MIN_GYRO_QUIET)||(ErrorGyro[2] MAX_GYRO_QUIET )|| (ErrorGyro[2] MIN_GYRO_QUIET));} /* throw first 100 group data and make 256 group average as offset */ for(i0;i356;i)//水平校准{ MpuGetData();if(100 i)//取256组数据进行平均{uint8_t k;for(k0;k6;k){buffer[k] pMpu[k];}}}for(i0;i6;i){MpuOffset[i] buffer[i]8;}TIM_ITConfig( //使能或者失能指定的TIM中断TIM1, TIM_IT_Update ,ENABLE //使能);FLASH_write(MpuOffset,6);//将数据写到FLASH中一共有6个int16数据
}
三.遥控程序
【摇杆ADC采集和转换】 配置 4 路 ADC 采集遥控摇杆值。DMA 自动采集转换完成后自动将 ADC 结果存于ADC_ConvertedValue 。 void ADC1_Mode_Config(void)
{DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;/* DMA channel1 configuration */DMA_DeInit(DMA1_Channel1);DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr ADC1_DR_Address; //ADC 结果寄存器地址DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr (u32)ADC_ConvertedValue;//输入数组地址地址DMA_InitStructure.DMA_DIR DMA_DIR_PeripheralSRC;DMA_InitStructure.DMA_BufferSize 4;//转换 4 路DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc DMA_PeripheralInc_Disable;//外设地址固定DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc DMA_MemoryInc_Enable; //内存地址固定DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; //半字12bit ADC存放DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize DMA_MemoryDataSize_HalfWord;DMA_InitStructure.DMA_Mode DMA_Mode_Circular; //循环传输DMA_InitStructure.DMA_Priority DMA_Priority_High;DMA_InitStructure.DMA_M2M DMA_M2M_Disable;DMA_Init(DMA1_Channel1, DMA_InitStructure);/* Enable DMA channel1 */DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);/* ADC1 configuration */ADC_InitStructure.ADC_Mode ADC_Mode_Independent; //独立 ADC 模式ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode ENABLE ; //禁止扫描模式扫描模式用于多通道采集ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode ENABLE; //开启连续转换模式即不停地进行 ADC 转换ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv ADC_ExternalTrigConv_None; //不使用外部触发转换ADC_InitStructure.ADC_DataAlign ADC_DataAlign_Right; //采集数据右对齐ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel 4; //4 路 ADC 通道ADC_Init(ADC1, ADC_InitStructure);/*配置 ADC 时钟为 PCLK2 的 8 分频即 6MHz,ADC 频率最高不能超过 14MHz*/RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8); /*配置 ADC1 的通道 11 为 55. 5 个采样周期序列为 1 */ ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 2, ADC_SampleTime_55Cycles5);ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_2, 3, ADC_SampleTime_55Cycles5);ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_3, 4, ADC_SampleTime_55Cycles5);/* 使能 DMA 外设*/ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);/*使能 ADC1 外设 */ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);/*复位校准寄存器 */ ADC_ResetCalibration(ADC1);/*等待校准寄存器复位完成 */while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
/* ADC 校准 */ADC_StartCalibration(ADC1);
/* 等待校准完成*/while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
/* 软件启动 ADC 转换 */ ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
} 每 10ms 进行一次 ADC 数据的转换为航模遥控数据: 12bitADC0~4096*0.25 1000 ≈ 航模标准数据 1000~2000
