開源基于STC15W4K61S4的微型四旋翼

前言：

       記得在上大二下的時(shí)候參加了2015全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽，題目剛下來便決定了做C題"多旋翼的自主飛行器"4天3夜拿到瑞薩最小系統(tǒng)后便開始寫各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)代碼，因?yàn)橛虚_發(fā)環(huán)境CUBE的神助攻，所以前期的驅(qū)動(dòng)代碼是還很順利的。接下來便是飛行器的組裝和電路板 制作，在一起就緒后花掉了2天時(shí)間，剩下的兩天便瘋狂調(diào)試，最苦惱的是電池供給跟不上，無(wú)奈只能調(diào)調(diào)停停，初次制作算法也還不夠成熟，我直接用的以前做平衡車的經(jīng)驗(yàn)。不過最后飛得也還算平穩(wěn)，用的手機(jī)加藍(lán)牙控制飛行（后來想一想也是膽大），但題目要求自主飛行，于是我便苦惱了，我便開始記錄四旋翼起飛的油門，在起飛后直接給油門（危險(xiǎn)）效果也還可以，就在比賽前一天晚上出事故了 一塊剛充滿電的電池 我裝上做最后測(cè)試。電池電量過高 直接結(jié)果導(dǎo)致飛機(jī)飛太高撞到了天花板，結(jié)果將飛機(jī)撞壞了一個(gè)電機(jī)，槳就不用說了  慘，不過幸運(yùn)的是人沒事。隊(duì)友也傻了，怎么辦？此時(shí)已是凌晨1點(diǎn)。我們撿起“殘骸”拍拍上面的灰，聽了首“安河橋”便開始和隊(duì)友一起埋頭苦干。哈哈···最后在早上6點(diǎn)前飛機(jī)修好了 雖然效果大打折扣 不過最基本的任務(wù)還算能夠完成。第二天比賽，我們是下午開始。第一次參賽，試飛的時(shí)候發(fā)現(xiàn)異常，冷靜后發(fā)現(xiàn)超聲波線松了 排除故障后開始比賽，比賽結(jié)果就不往下寫了。（。。。。。）無(wú)論怎樣我很享受這個(gè)過程。比賽結(jié)束后便有了做一個(gè)小四軸的想法，于是便在網(wǎng)上搜索資料，偶然看到了STC的這個(gè)開源項(xiàng)目，于是便自己也動(dòng)手做了一個(gè)，控制代碼我也有重寫，現(xiàn)分享給大家！??！一起交流！??！

功能概述：

      本設(shè)計(jì)是基于STC15W4K61S4的微型四軸。以STC15W4K61S4為主控。硬件包括，mpu6050傳感器，電源，nrf2401通信模塊，720空心杯電機(jī)，PCB機(jī)架。姿態(tài)解算采用四元數(shù)，串級(jí)PID作為控制器，配合遙控器實(shí)現(xiàn) 俯仰，橫滾，偏航姿態(tài)控制。主要用于學(xué)習(xí)和理解四軸飛行器的基本原理。

實(shí)物圖：

應(yīng)用場(chǎng)景：

控制思路：

        首先調(diào)整電機(jī)1，3同向 2，4同向 且相鄰電機(jī)旋轉(zhuǎn)反相在X型模式下首先通過mpu6050獲取三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀數(shù)據(jù) 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理融合后 得到姿態(tài)角度pitch roll 以及Z軸陀螺儀積分出 yaw角。將得到的姿態(tài)角送入PID控制器計(jì)算輸出對(duì)應(yīng)的油門補(bǔ)償對(duì)應(yīng)的電機(jī) 從而使四旋翼平衡。簡(jiǎn)單來說飛機(jī)往那邊沉 對(duì)應(yīng)的電機(jī)就加速提高升力抵抗它下沉，它的下沉程度是通過角度來反映的而已，具體補(bǔ)償多少合適，則是通過PID控制器計(jì)算的而已。單純通過角度誤差來控制，是屬于單級(jí)的PID 控制。經(jīng)過試驗(yàn)這種控制策略應(yīng)用在小四軸效果不太理想，因此我們通常采用的串級(jí)PID控制小四軸，即引入了角速度環(huán)，通常內(nèi)環(huán)使用PD(對(duì)象角速度)外環(huán)使用PI(對(duì)象角度&內(nèi)環(huán)輸出)這樣的控制策略在測(cè)試中效果較好，但理想的參數(shù)調(diào)整比較難，因此需要耐心調(diào)試才能得到較好的效果。

系統(tǒng)框圖：

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)組成：

     主控：STC15W4K61S4     (封裝：LQFP32）

     傳感器：MPU6050(三軸加速度計(jì)，三軸陀螺儀)(封裝：QFN)  https://www.datasheet5.com/pn-MPU-6050-1083104

     電機(jī)：720空心杯    

     MOS管   AO3400A (封裝：SOT23_M)  https://www.datasheet5.com/pn-AO3400A-1215185

    2.4G無(wú)線：NRF2401 （模塊）  https://www.datasheet5.com/datasheet/NRF2401/250319...

    電源芯片：

    ME6219 (封裝：SOT95) https://www.bom2buy.com/search/ME6219

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

元器件成本估算：

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

總結(jié)：

此項(xiàng)目在大三上完成，經(jīng)過調(diào)試  能夠?qū)崿F(xiàn)基本飛行，同時(shí)也存在以下問題：

參數(shù)應(yīng)該還不夠理想（遙控器跟隨效果不好）。

PCB設(shè)計(jì)過大 導(dǎo)致超重，因?yàn)閾?dān)心手焊的MPU不好使故留了較多直插模塊接口同時(shí)還考慮到十字和X型所以各留了一個(gè)這樣的直插接口。

這是一次不錯(cuò)的動(dòng)手經(jīng)歷吧，從原理圖PCB到代碼都是自己一個(gè)人完成，每當(dāng)遇到問題就網(wǎng)上尋求答案，過程還是很坎坷的，不過也特別有意思。同時(shí)也學(xué)到很多知識(shí)，做事情也更加細(xì)心嚴(yán)謹(jǐn)！

測(cè)試結(jié)果：

     手機(jī)里翻了半天總算找到了一點(diǎn)視頻上傳與大家分享，效果不太好希望勿噴。