開源基于STC15W4K61S4的微型四旋翼

前言：

       記得在上大二下的時候參加了2015全國電子設(shè)計大賽，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)后便開始寫各個模塊的驅(qū)動代碼，因為有開發(fā)環(huán)境CUBE的神助攻，所以前期的驅(qū)動代碼是還很順利的。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。不過最后飛得也還算平穩(wěn)，用的手機加藍牙控制飛行（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）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 我裝上做最后測試。電池電量過高 直接結(jié)果導(dǎo)致飛機飛太高撞到了天花板，結(jié)果將飛機撞壞了一個電機，槳就不用說了  慘，不過幸運的是人沒事。隊友也傻了，怎么辦？此時已是凌晨1點。我們撿起“殘骸”拍拍上面的灰，聽了首“安河橋”便開始和隊友一起埋頭苦干。哈哈···最后在早上6點前飛機修好了 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。（。。。。。）無論怎樣我很享受這個過程。比賽結(jié)束后便有了做一個小四軸的想法，于是便在網(wǎng)上搜索資料，偶然看到了STC的這個開源項目，于是便自己也動手做了一個，控制代碼我也有重寫，現(xiàn)分享給大家?。?！一起交流?。。?/p>

功能概述：

      本設(shè)計是基于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，PCB機架。姿態(tài)解算采用四元數(shù)，串級PID作為控制器，配合遙控器實現(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。

實物圖：

應(yīng)用場景：

控制思路：

        首先調(diào)整電機1，3同向 2，4同向 且相鄰電機旋轉(zhuǎn)反相在X型模式下首先通過mpu6050獲取三軸加速度計和三軸陀螺儀數(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控制器計算輸出對應(yīng)的油門補償對應(yīng)的電機 從而使四旋翼平衡。簡單來說飛機往那邊沉 對應(yīng)的電機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，具體補償多少合適，則是通過PID控制器計算的而已。單純通過角度誤差來控制，是屬于單級的PID 控制。經(jīng)過試驗這種控制策略應(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(對象角速度)外環(huán)使用PI(對象角度&內(nèi)環(huán)輸出)這樣的控制策略在測試中效果較好，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)計組成：

     主控：STC15W4K61S4     (封裝：LQFP32）

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

     電機：720空心杯    

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

    2.4G無線：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)計過大 導(dǎo)致超重，因為擔(dān)心手焊的MPU不好使故留了較多直插模塊接口同時還考慮到十字和X型所以各留了一個這樣的直插接口。

這是一次不錯的動手經(jīng)歷吧，從原理圖PCB到代碼都是自己一個人完成，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。同時也學(xué)到很多知識，做事情也更加細心嚴謹！

測試結(jié)果：

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