基于STC15W4K32S4的四旋翼无人机设计

郭小博 南京林业大学

基于STC15W4K32S4的四旋翼无人机设计

郭小博 南京林业大学

四旋翼无人机是一种具有四个螺旋的无人飞行器，具有体积小、结构简单、机动性强、成本低及隐蔽性好等特点具有重要的军事和民用价值，是当前的研究热点。介绍以STC15w4k32s作为主控制器，以MPU6050为航向姿态参机载传感器，以NRF24L01芯片模块为通讯模块，采用串级PID控制算法的四旋翼飞行器的设计，基本实现了四旋翼无人机的可靠飞行。

四旋翼无人机 控制器 51单片机

随着国产单片机的进步，STC15W4K32S4系列单片机作为新一代8051单片机，基本满足了四旋翼无人机的控制需求。8051单片机易于学习，同时市面资料多，其特点是其他单片机无法代替的。本文结合8051单片机的特点，介绍了四旋翼无人机系统的实现方案。给出了系统控制核心设计、电源模块设计、惯性测量模块设计，电机驱动模块设计，无线通信模块设计。

1 总体设计

本系统为X型机型。四旋翼无人机系统由控制器模块、电源模块、传感器模块、无线通信模块、电子调速器模块和无刷直流电机组成。微控制器为系统的核心部件，电源模块为其他模块提供稳定电压，传感器模块主要为MPU6050，提供飞行器的原始姿态数据，无线通信模块接收外部命令，电子调速器和无刷电机为无人机提供动力。

2 飞行器硬件设计

2.1 控制器设计

控制器采用国产宏晶公司的STC15W4K32S4单片机，该单片机为单时钟/机器周期（1T），指令代码完全兼容传统8051，但是速度快8—12倍，内部集成高精准度R/C时钟，拥有4K的大容量SRAM，32K的Flash程序存储器，而且集成了一组（各自独立6路）增强型的PWM波形发生器，可进行四旋翼无人机的空间姿态解算，无线系统的实时传输，满足的四旋翼无人机的基本控制要求。

2.2 电源模块设计

由于电子调速器自带BEC输出，可为系统提供稳定的5V供电。但是传感器模块和无线发射模块需要3．3V供电，设计降压电路。采用RT9193D电源芯片，RT9193系列是具有高精度，低噪音，高速度，兼容低ESR电容，采用CMOS工艺生产的低压差LDO电压调整器，内部包括参考电压源电路，误差放大器电路，过流保护电路和相位补偿电路。RT9193系列的输出电压在0．8～5．0V范围。

2.3 传感器模块设计

传感器模块主要为MPU6050芯片。MPU-6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。它是具有16位模拟/数字转换器，将其输出的模拟量转化为可输出的数字量。通过IIC接口与单片机交换信息。

2.4 无线通信模块设计

四旋翼无人机采用的是2．4G无线模块，芯片为nRF24L01。nRF24L01是由NORDIC生产 的工作在2．4GHz～2．5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。

2.5 电子调速器和无刷电机

电子调速器采用商用电调（好盈天行者），可持续输出40A电流，油门信号频率范围为50Hz到432Hz，带BEC输出，为5V/3A。无刷电机为2300KV，最大功率150W，最大可提供430g拉力。

3 飞行器控制

3.1 姿态数据处理及数据融合滤波

对MPU6050三轴陀螺仪和三轴加速度计作为数据进行处理，陀螺仪采集角速度信息，通过对一个周期内的角速度积分可以得到角度信息，与上一个角度进行比较即可得到当前的姿态角。而加速度计则是通过采集每一个轴上的加速度信息，与垂直向下的重力加速度相比较，再通过三角函数计算，得到每一个轴与重力加速度的夹角从而得出姿态角。

陀螺仪和加速度计可以独立测出飞行器的姿态角，但是二者各有利弊，陀螺仪虽然动态性能较好，可普遍存在着零点误差及温度漂移，导致积分过程中误差累计严重，后期数据几乎没有参考性，而加速度计虽然有良好的静态性能，但其震动及噪音较大，很难得到准确的角度值，故而对两种传感器的数据进行融合，滤波方能得到准确的角度值。根据陀螺仪动态性能好，加速度计静态性能好的特点，采用互补滤波的方法，对陀螺仪的数据进行高通滤波，对加速度计的数据进行低通滤波，通过对参数进行整定最终修正偏差漂移从而得到一个精确的姿态角。

3.2 姿态控制

本系统采用的姿态控制为串级PID控制算法，即为比例(proportion)、积分(integral)、微分(derivative)的缩写，此算法技术成熟，相对简单，为目前四旋翼无人机的主流控制方法。由于四旋翼飞行器是一个典型的非线性系统，而传统的PID控制更适合线性系统，所以在控制四旋翼飞行器的过程中往往存在着不同程度的超调和震荡，为了改善系统的动态特性及抗扰动的能力，该系统采用串级PID控制，即两个PID调节器串联工作，一个调节器的输出作为另一个的输入。在该控制系统中，外环得到的姿态角经过PID计算后作为内环的期望角速度，内环的PID计算通过调节传递函数的参数使得其迅速、准确地跟随外环的输出控制量，通过串级PID控制，避免了输入值频繁变化造成的系统不稳定的问题，达到了很好的位置控制的效果。

4 结束语

本文介绍了四旋翼无人机飞行控制器的硬件结构的设计以及控制算法的实现，本文采用STC15W4K32S4单片机作为微控制器，是本四旋翼飞行器系统的一大特点。本系统经过实际测试，可在室外按命令进行飞行，姿态稳定，反应时间较短，无线传输可靠，达到了预期设计要求，但是算法仍然存在优化的空间，例如传感器数据漂移等问题，希望在以后进一步研究，使其真正的走向实际应用。

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注：

受南京林业大学大学生创新训练计划资助。