【一些入门知识】
1.飞行原理
【垂直运动】
当 mg＞F1+F2+F3+F4，此时做下降加速飞行
当 mg＜F1+F2+F3+F4，此时做升高加速飞行
当 mg=F1+F2+F3+F4 ，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F1+F4＜F2+F3 向前飞行
当F1+F4＞F2+F3向后飞行
【横滚飞行】
当F4+F3＞F1+F2向右飞行
当 F4+F3＜F1+F2 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。
cs
//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(i=0;i<6;i++)
{
//整合为 16bit，并减去水平静止校准值
pMpu[i] = (((int16_t)buffer[i<<1] << 8) | buffer[(i<<1)+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 k=i-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】
cs
void RC_Analy(void)
{
static uint16_t cnt;
if(NRF24L01_RxPacket(RC_rxData)==SUCCESS)
{
uint8_t i;
uint8_t CheckSum=0;
uint16_t thr;
cnt = 0;
for(i=0;i<31;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1
Remote.roll = LIMIT(Remote.roll,1000,2000);
Remote.pitch = ((uint16_t)RC_rxData[6]<<8) | RC_rxData[7]; //通道2
Remote.pitch = LIMIT(Remote.pitch,1000,2000);
Remote.thr = ((uint16_t)RC_rxData[8]<<8) | RC_rxData[9]; //通道3
Remote.thr = LIMIT(Remote.thr,1000,2000);
Remote.yaw = ((uint16_t)RC_rxData[10]<<8) | RC_rxData[11]; //通道4
Remote.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.yaw>1820)
{
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(cnt>500)
{
cnt = 0;
ALL_flag.unlock = 0;
NRF24L01_init();
}
}
}【PID控制器的设计】
cpp
void FlightPidControl(float dt)
{
volatile static uint8_t status=WAITING_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.pitch>50||Angle.roll<-50||Angle.roll>50)//倾斜检测，大角度判定为意外情况，则紧急上锁
if(Remote.thr>1200)//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PID
pidUpdate(&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】
cs
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 1000
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 8; //设置预分频：8+1 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 1
TIM_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 0
TIM_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 ARR
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); //使能定时器 2
}【解锁 - 启动步骤 - 电机动力分配】
cs
void MotorControl(void)
{
volatile static uint8_t status=WAITING_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0
if(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.thr>1100)
{
low_thr_cnt_quiet=0;
low_thr_cnt=0;
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 = 250+0.45f * temp;
if(temp<10) //自动关停判断
{
if(low_thr_cnt<1500)
low_thr_cnt++;
thr = thr-(low_thr_cnt*0.6);//油门摇杆值慢慢降为0
if(MPU6050.accZ<8500&&MPU6050.accZ>7800)
{
low_thr_cnt++;
if(low_thr_cnt>600)//1800ms
{
thr = 0;
pidRest(pPidObject,6);
MOTOR1 = MOTOR2 = MOTOR3 = MOTOR4 =0;
status = WAITING_2;
break;
}
}
}
else low_thr_cnt=0;
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
// * *
// * *
// * *
// *
// * *
// * *
// * *
// 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0
status = WAITING_1;
break;
default:
break;
}
TIM2->CCR1 = LIMIT(MOTOR1,0,1000); //更新PWM
TIM2->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
cs
void MpuGetOffset(void) //校准
{
int32_t buffer[6]={0};
int16_t i;
uint8_t k=30;
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(i=0;i<3;i++)
{
ErrorGyro[i] = pMpu[i+3] - LastGyro[i];
LastGyro[i] = pMpu[i+3];
}
}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(i=0;i<356;i++)//水平校准
{
MpuGetData();
if(100 <= i)//取256组数据进行平均
{
uint8_t k;
for(k=0;k<6;k++)
{
buffer[k] += pMpu[k];
}
}
}
for(i=0;i<6;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 。
cpp
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:
12bitADC（0~4096）*0.25 +1000 ≈ 航模标准数据 1000~2000