基于STM32四轴飞控制作笔记

前言
大四选了个四轴飞控作为毕业设计的题目，近来没事，把之前的制作做个总结开源出来。

硬件设计

1.遥控MCU模块和飞控的MCU模块都采用stm32f103c8t6单片机，很多高校的嵌入式教学也是基于这款的。
2.NRF24L01模块是一款2.4G无线收发器模块，通过SPI协议与MCU进行通信。由于NRF24L01采用QFN封装，手上又没有风枪之类的工具，不好焊接。于是就直接买现有的模块进行设计了。关于它的资料和代码我参考与野火的教程:
http://doc.embedfire.com/products/link/zh/latest/module/wireless_misc/nrf24l01.html

3.MPU6050模块是一个6轴传感器模块，也就是加速度三个轴和陀螺仪三个轴。空谈无用，如下图从MPU6050数据手册上的截图:

红色编号1、2、3分别是三个轴的加速度传感器，4、5、6分别是三个轴的角速度传感器，7是温度传感器。大多数传感器的原理就是通过AD采集去实现的，这里也一样，7路ADC采集的值存放到相应的寄存器中。用户通过红色编号9的I2C接口去读取相应寄存器的的值。读取到的值通过数学算法解算后就能得到角度了(也就是姿态角)。还有一种比较简单得方法获取姿态角，就是通过红色编号8的DMP模块来获取，但好像移植到工程中代码量有点大，感觉还不如采用MCU解算算法好用。
MPU6050和DMP方式获取姿态角的参考资料推荐看野火的stm32教程，简单易懂。
https://www.bilibili.com/video/BV1ms411M7Cf?p=60
至于采用MCU算法来解算的方式，代码可以参考正点原子的minifly飞控代码。
http://www.openedv.com/docs/fouraxis-fly/minifly.html

4.电机驱动模块原理图如下:

Q1是一个MOS管，这里可以把他看成一个开关，利用PWM技术开控制开关管的导通与关断的频率，就可以控制点机两端的电压大小，从而达到控制电机转速的目的。其MOS驱动原理可参考:
https://bbs.nuedc-training.com.cn/thread-465-1-1.html

5.MCU主控模块原理图如下:

6.飞控电源模块原理图如下:

由于是使用3.7V的锂电池供电，使用一个MOS管驱动，但是电机只要运行起来，就会产生非常大的干扰，直接导致STM32复位或不运行，故此采用升压+稳压的方案设计，该方案先经过升压电路升压到5V，在经过稳压电路稳压到3.3V供MCU和传感器使用。
ME2188 是一系列高转换效率、低功耗、高工作频率的 PFM 同步升压 DC-DC 转换芯片。参考芯片手册设计原理图。
稳压部分由于手上现成的TL431芯片和三级管，就采用分立元件搭成的线性电源

稳压电路的基本组成电阻R1和稳压管D1构成，输入电压经过R1到稳压管D1，稳压管D1上会得到一个稳定的电压，假如是3.9V的稳压管就得到3.9V电压，稳压管与三极管基极连接，发射极输出，构成三极管射极跟随器，即发射极电压跟随着基极电压，由于Vbe管压降的存在（硅管0.6V~0.7V），输出电压等于稳压二极管稳压值减去三极管be极导通压降，就可以输出3.3V电压了（3.9V-0.6V）。
假如输入是12V，三极管导通后，CE端会直接输出12V电压吗？
答案是肯定不会。那为什么还能稳定输出3.3V呢？原因如下：当 E 极电压为 12V 时， E 点电位就会超过 B 点的电位，此时Vbe之间的电压就小于 0.6V， 三极管截至 （Ib =0, Ic=0）。 这时 E 极的电压就会开始急剧下降， 当下降到3.3V 的时候，Vbe的电压恢复到 0.6V ，三极管导通。这时 E 极的电压就开始往上升，Vbe之间的电压又开始小于 0.6V 并往逐渐减小，CE 之间的阻抗作用越来越大， 直到三极管关闭。 这样周而复始，最终使 E 极电压稳定在3.3V。
我这里使用TL431来替代3.9V稳压管就形成了上面的电路。TL431是一个有良好热稳定性能的三端可调精密电压基准集成芯片，具有体积小、价格低廉、性能优良等特点：它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从参考电压（2.5V）到36V范围内的任何值，典型动态阻抗仅为0.2Ω，电压参考误差为±0.4%,负载电流能力从1.0mA到100mA,温度漂移低，输出噪声电压低等。
7.ADC模拟摇杆

ADC模拟摇杆的内部 可以看成电位器，PF7引脚可以看成滑片，当摇杆摇动时，电位器滑片滑动，PF7的电压就会变化，此时通过ADC去采集PF7电压，在把ADC采集的值通过无线模块发送到飞控上，控制PWM波的占空比，就能控制飞控了。

软件设计

飞控软件核心就是PID控制器的实现

当前偏差Error，由遥控器给定的目标值（用户设置的姿态）减去MPU6050检测到的测量值所得。
最近偏差Integral，由现在的误差减去上一次误差所得。
历史偏差Differ，是过去的所有误差之和。
P,I,D三个变量是PID的三个参数，PID的输出为PIDout = PError+ IIntegral+ D*Differ。然后把PIDout输出到电机上即可。

标准的PID公式如下:


积分积分 有着累积的意思，这里在程序中的实现就是所有误差的累加。这里就是通过历史的误差来控制系统。

微分，在中学时学过，函数的斜率可以通过微分表示，函数的斜率可以表示函数变化的趋势，预测未来的意思。程序中用 现在的误差减去上一次误差来表示微分项。

对于一个初学者来说飞控程序比较复杂，建议参考开源的飞控代码，反复阅读，然后根据此框架改驱动来适配我们的硬件平台。这里推荐小马哥的飞控代码，其框架比较简单，对新手比较友好。
https://oshwhub.com/PQG2030PQG/kai-yuan-si-zhou-fei-xing-qi

四轴飞控工程文件:
链接：https://pan.baidu.com/s/1vZ7N8XxfHs_EBqMNCYKiIA
提取码：kv0j
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基于STM32四轴飞控制作笔记

前言
大四选了个四轴飞控作为毕业设计的题目，近来没事，把之前的制作做个总结开源出来。

硬件设计

1.遥控MCU模块和飞控的MCU模块都采用stm32f103c8t6单片机，很多高校的嵌入式教学也是基于这款的。
2.NRF24L01模块是一款2.4G无线收发器模块，通过SPI协议与MCU进行通信。由于NRF24L01采用QFN封装，手上又没有风枪之类的工具，不好焊接。于是就直接买现有的模块进行设计了。关于它的资料和代码我参考与野火的教程:
http://doc.embedfire.com/products/link/zh/latest/module/wireless_misc/nrf24l01.html

3.MPU6050模块是一个6轴传感器模块，也就是加速度三个轴和陀螺仪三个轴。空谈无用，如下图从MPU6050数据手册上的截图:

红色编号1、2、3分别是三个轴的加速度传感器，4、5、6分别是三个轴的角速度传感器，7是温度传感器。大多数传感器的原理就是通过AD采集去实现的，这里也一样，7路ADC采集的值存放到相应的寄存器中。用户通过红色编号9的I2C接口去读取相应寄存器的的值。读取到的值通过数学算法解算后就能得到角度了(也就是姿态角)。还有一种比较简单得方法获取姿态角，就是通过红色编号8的DMP模块来获取，但好像移植到工程中代码量有点大，感觉还不如采用MCU解算算法好用。
MPU6050和DMP方式获取姿态角的参考资料推荐看野火的stm32教程，简单易懂。
https://www.bilibili.com/video/BV1ms411M7Cf?p=60
至于采用MCU算法来解算的方式，代码可以参考正点原子的minifly飞控代码。
http://www.openedv.com/docs/fouraxis-fly/minifly.html

4.电机驱动模块原理图如下:

Q1是一个MOS管，这里可以把他看成一个开关，利用PWM技术开控制开关管的导通与关断的频率，就可以控制点机两端的电压大小，从而达到控制电机转速的目的。其MOS驱动原理可参考:
https://bbs.nuedc-training.com.cn/thread-465-1-1.html

5.MCU主控模块原理图如下:

6.飞控电源模块原理图如下:

由于是使用3.7V的锂电池供电，使用一个MOS管驱动，但是电机只要运行起来，就会产生非常大的干扰，直接导致STM32复位或不运行，故此采用升压+稳压的方案设计，该方案先经过升压电路升压到5V，在经过稳压电路稳压到3.3V供MCU和传感器使用。
ME2188 是一系列高转换效率、低功耗、高工作频率的 PFM 同步升压 DC-DC 转换芯片。参考芯片手册设计原理图。
稳压部分由于手上现成的TL431芯片和三级管，就采用分立元件搭成的线性电源

稳压电路的基本组成电阻R1和稳压管D1构成，输入电压经过R1到稳压管D1，稳压管D1上会得到一个稳定的电压，假如是3.9V的稳压管就得到3.9V电压，稳压管与三极管基极连接，发射极输出，构成三极管射极跟随器，即发射极电压跟随着基极电压，由于Vbe管压降的存在（硅管0.6V~0.7V），输出电压等于稳压二极管稳压值减去三极管be极导通压降，就可以输出3.3V电压了（3.9V-0.6V）。
假如输入是12V，三极管导通后，CE端会直接输出12V电压吗？
答案是肯定不会。那为什么还能稳定输出3.3V呢？原因如下：当 E 极电压为 12V 时， E 点电位就会超过 B 点的电位，此时Vbe之间的电压就小于 0.6V， 三极管截至 （Ib =0, Ic=0）。 这时 E 极的电压就会开始急剧下降， 当下降到3.3V 的时候，Vbe的电压恢复到 0.6V ，三极管导通。这时 E 极的电压就开始往上升，Vbe之间的电压又开始小于 0.6V 并往逐渐减小，CE 之间的阻抗作用越来越大， 直到三极管关闭。 这样周而复始，最终使 E 极电压稳定在3.3V。
我这里使用TL431来替代3.9V稳压管就形成了上面的电路。TL431是一个有良好热稳定性能的三端可调精密电压基准集成芯片，具有体积小、价格低廉、性能优良等特点：它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从参考电压（2.5V）到36V范围内的任何值，典型动态阻抗仅为0.2Ω，电压参考误差为±0.4%,负载电流能力从1.0mA到100mA,温度漂移低，输出噪声电压低等。
7.ADC模拟摇杆

ADC模拟摇杆的内部 可以看成电位器，PF7引脚可以看成滑片，当摇杆摇动时，电位器滑片滑动，PF7的电压就会变化，此时通过ADC去采集PF7电压，在把ADC采集的值通过无线模块发送到飞控上，控制PWM波的占空比，就能控制飞控了。

软件设计

飞控软件核心就是PID控制器的实现

当前偏差Error，由遥控器给定的目标值（用户设置的姿态）减去MPU6050检测到的测量值所得。
最近偏差Integral，由现在的误差减去上一次误差所得。
历史偏差Differ，是过去的所有误差之和。
P,I,D三个变量是PID的三个参数，PID的输出为PIDout = PError+ IIntegral+ D*Differ。然后把PIDout输出到电机上即可。

标准的PID公式如下:


积分积分 有着累积的意思，这里在程序中的实现就是所有误差的累加。这里就是通过历史的误差来控制系统。

微分，在中学时学过，函数的斜率可以通过微分表示，函数的斜率可以表示函数变化的趋势，预测未来的意思。程序中用 现在的误差减去上一次误差来表示微分项。

对于一个初学者来说飞控程序比较复杂，建议参考开源的飞控代码，反复阅读，然后根据此框架改驱动来适配我们的硬件平台。这里推荐小马哥的飞控代码，其框架比较简单，对新手比较友好。
https://oshwhub.com/PQG2030PQG/kai-yuan-si-zhou-fei-xing-qi

四轴飞控工程文件:
链接：https://pan.baidu.com/s/1vZ7N8XxfHs_EBqMNCYKiIA
提取码：kv0j
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