开源基于STC15W4K61S4的微型四旋翼-电路方案

前言: 记得在上大二下的时候参加了2015全国电子设计大赛，题目刚下来便决定了做C题"多旋翼的自主飞行器"4天3夜拿到瑞萨最小系统后便开始写各个模块的驱动代码，因为有开发环境CUBE的神助攻，所以前期的驱动代码是还很顺利的。接下来便是飞行器的组装和电路板 制作，在一起就绪后花掉了2天时间，剩下的两天便疯狂调试，最苦恼的是电池供给跟不上，无奈只能调调停停，初次制作算法也还不够成熟，我直接用的以前做平衡车的经验。不过最后飞得也还算平稳，用的手机加蓝牙控制飞行（后来想一想也是胆大），但题目要求自主飞行，于是我便苦恼了，我便开始记录四旋翼起飞的油门，在起飞后直接给油门（危险）效果也还可以，就在比赛前一天晚上出事故了 一块刚充满电的电池 我装上做最后测试。电池电量过高 直接结果导致飞机飞太高撞到了天花板，结果将飞机撞坏了一个电机，桨就不用说了 惨，不过幸运的是人没事。队友也傻了，怎么办？此时已是凌晨1点。我们捡起“残骸”拍拍上面的灰，听了首“安河桥”便开始和队友一起埋头苦干。哈哈···最后在早上6点前飞机修好了 虽然效果大打折扣不过最基本的任务还算能够完成。第二天比赛，我们是下午开始。第一次参赛，试飞的时候发现异常，冷静后发现超声波线松了 排除故障后开始比赛，比赛结果就不往下写了。（。。。。。）无论怎样我很享受这个过程。比赛结束后便有了做一个小四轴的想法，于是便在网上搜索资料，偶然看到了STC的这个开源项目，于是便自己也动手做了一个，控制代码我也有重写，现分享给大家！！！一起交流！！！ 功能概述: 本设计是基于STC15W4K61S4的微型四轴。以STC15W4K61S4为主控。硬件包括，mpu6050传感器，电源，nrf2401通信模块，720空心杯电机，PCB机架。姿态解算采用四元数，串级PID作为控制器，配合遥控器实现俯仰，横滚，偏航姿态控制。主要用于学习和理解四轴飞行器的基本原理。 实物图: 应用场景: 控制思路: 首先调整电机1，3同向 2，4同向 且相邻电机旋转反相在X型模式下首先通过mpu6050获取三轴加速度计和三轴陀螺仪数据 经过数据处理融合后 得到姿态角度pitch roll 以及Z轴陀螺仪积分出 yaw角。将得到的姿态角送入PID控制器计算输出对应的油门补偿对应的电机 从而使四旋翼平衡。简单来说飞机往那边沉 对应的电机就加速提高升力抵抗它下沉，它的下沉程度是通过角度来反映的而已，具体补偿多少合适，则是通过PID控制器计算的而已。单纯通过角度误差来控制，是属于单级的PID 控制。经过试验这种控制策略应用在小四轴效果不太理想，因此我们通常采用的串级PID控制小四轴，即引入了角速度环，通常内环使用PD(对象角速度)外环使用PI(对象角度&内环输出)这样的控制策略在测试中效果较好，但理想的参数调整比较难，因此需要耐心调试才能得到较好的效果。 系统框图: 本系统硬件设计组成: 主控:STC15W4K61S4 (封装:LQFP32） 传感器:MPU6050(三轴加速度计，三轴陀螺仪)(封装:QFN)https://www.datasheet5.com/pn-MPU-6050-1083104 电机:720空心杯 MOS管 AO3400A (封装:SOT23_M)https://www.datasheet5.com/pn-AO3400A-1215185 2.4G无线:NRF2401 （模块）https://www.datasheet5.com/datasheet/NRF2401/250319... 电源芯片: ME6219 (封装:SOT95)https://www.bom2buy.com/search/ME6219 BL8530-501SM（封装: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 总结: 此项目在大三上完成，经过调试 能够实现基本飞行，同时也存在以下问题: 参数应该还不够理想（遥控器跟随效果不好）。 PCB设计过大 导致超重，因为担心手焊的MPU不好使故留了较多直插模块接口同时还考虑到十字和X型所以各留了一个这样的直插接口。 这是一次不错的动手经历吧，从原理图PCB到代码都是自己一个人完成，每当遇到问题就网上寻求答案，过程还是很坎坷的，不过也特别有意思。同时也学到很多知识，做事情也更加细心严谨！ 测试结果: 手机里翻了半天总算找到了一点视频上传与大家分享，效果不太好希望勿喷。