多旋翼無人飛行器嵌入式飛控開發(fā)實戰(zhàn)-基于STM32系列微控制器的代碼實現(xiàn)-課件 奚海蛟 1.1 無人機的基本組成-3.2 無人機系統(tǒng)時鐘的配置

多旋翼無人機飛行器嵌入式飛控開發(fā)實戰(zhàn)無人機基本組成1無人機基本組成2無人機結(jié)構(gòu)與飛行控制原理3無人機系統(tǒng)設計無人機的介紹

無人機，也稱無人飛行器UAV（Unmannedaerialvehicle），是一種配備了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，傳感器，自動控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等必要機載設備的飛行器，能夠進行一定的穩(wěn)態(tài)控制和飛行，一定的自主飛行而無需人工干預。無人機技術是一項涉及多個技術領域的綜合系統(tǒng)，它對通信技術、傳感器技術、人工智能技術、圖像處理技術、控制理論都有較深的應用和較高的要求。固定翼無人飛行器續(xù)航時間最長飛行效率最高載荷最大起飛需要助跑降落需要滑行對場地要求較高優(yōu)點缺點無人飛艇留空時間可以較長懸停方便安全可靠控制也較簡單起飛需要助跑降落需要滑行對場地要求較高優(yōu)點缺點傘翼無人飛行器輕巧速度較慢成本較低適合于低空飛行不能在較高的高度飛行動力較小易受強風影響機體過輕，受側(cè)風影響較強烈優(yōu)點缺點撲翼無人飛行器

基于仿生學原理，配備的活動機翼能夠模擬飛鳥的翅膀上下?lián)鋭拥膭幼鲝亩a(chǎn)生升力和向前的推動力，又稱振翼機。簡介旋翼無人飛行器可以垂直起降對場地要求很低機械結(jié)構(gòu)簡單易維護保養(yǎng)控制簡單載重較低續(xù)航時間較短優(yōu)點缺點多旋翼無人機應用領域交通安防巡查農(nóng)林植保消防救援災害救援城市管理規(guī)劃影視航拍電力巡線探礦測繪機架系統(tǒng)

優(yōu)點是美觀，可靠，性能一致性較好，一般價格相對不低，主要面向的是普通消費者玩家或者初學者。

缺點是更換零件比較麻煩，維修成本較高，一般都需要找原廠維修，無法自行更換零件。一體機

優(yōu)點是可組裝，可塑性，可外掛各種實驗負載，方便維修以及更換升級零件。

缺點是需要有較深厚的經(jīng)驗，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性可能會受到裝配校準等方面的問題的影響。組裝機機架系統(tǒng)必要的部件腳架機臂中心板一般中心板采用碳纖、玻纖或者FR4等材料，分為2~4層不等，也有根據(jù)應用要求增加的即飛行器的起落架，用于將飛行器墊起一定高度，以便為云臺等掛載設備騰出空間，還可以提供降落緩沖，保障機體安全機臂一般采用碳管、PA等材料，保證輕質(zhì)牢固的特點動力系統(tǒng)無刷直流電機，顧名思義，是不帶電刷的，由于省去了電刷，使得沒有了電刷損耗，也沒有了有刷電機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的電火花，極大降低了電磁打火對機載電子設備的干擾。無刷電機有刷電機是早期電機，將磁鐵固定在電機外殼或者底座，成為定子。然后將線圈繞組，成為轉(zhuǎn)子。有刷電機采用內(nèi)部集成了電刷進行電極換相，保持電機持續(xù)轉(zhuǎn)動。有刷電機電子調(diào)速器

無刷電調(diào)最主要的參數(shù)是電調(diào)的電流，通常以安培來表示，如10A、20A、30A。電流

電調(diào)具有相應內(nèi)阻，其發(fā)熱功率需要得到注意。有些電調(diào)電流可以達到幾十安培，發(fā)熱功率是電流的平方的函數(shù)，所以電調(diào)的散熱性能也十分重要，因此大規(guī)格電調(diào)內(nèi)阻一般都比較小。內(nèi)阻槳葉動力系統(tǒng)的組成中另一個非常重要的部分就是螺旋槳，螺旋槳是通過自身旋轉(zhuǎn)，將電機轉(zhuǎn)動功率轉(zhuǎn)化為動力的裝置。遙控器和遙控接收機

脈沖位置調(diào)制Pulse-positionmodulation，也叫脈位調(diào)制，這種調(diào)制采用脈沖信號的寬度位置來表示舵量，每個通道由8個型號脈沖組成，脈沖個數(shù)不變，脈沖寬度相同，只是脈沖的相位不同，由相位來代表所傳遞的編碼信息。PPM調(diào)制

脈沖編碼調(diào)制Pulsecodemodulation，也叫脈碼調(diào)制，這種調(diào)制是將若干通道的舵量大小以二進制數(shù)字來進行編碼，形成數(shù)據(jù)幀。PCM調(diào)制動力電源與充電系統(tǒng)電動多旋翼飛行器上由于電機的工作電流非常大，需要采用能夠支持高放電電流的動力可充電鋰電池供電，放電電流的大小通常用放電倍率來表示，即C值。無人機結(jié)構(gòu)與飛行控制原理1無人機基本組成2無人機結(jié)構(gòu)與飛行控制原理3無人機系統(tǒng)設計無人機機身布局無人機的旋翼結(jié)構(gòu)單旋翼多旋翼單槳共軸雙槳無人機的飛行控制原理

4個旋翼中對角線上的兩個旋翼選裝方向相同，相鄰的兩個旋翼選裝方向相反，其中3、4號旋翼按照順時針方向旋轉(zhuǎn)，這里選用的是正槳，而1、2號旋翼按照逆時針方向旋轉(zhuǎn)，采用的是反槳。懸停姿態(tài)

在飛行器懸停時，槳盤面垂直于重力，4個旋翼產(chǎn)生的合拉力抵消重力，產(chǎn)生的扭距也相互抵消。升降飛行

在懸停的基礎上，向上推動遙控器油門撥桿時飛行器產(chǎn)生上升運動。

向下拉動遙控器油門撥桿時飛行器產(chǎn)生下降運動。俯仰(pitch)飛行

向上推動遙控器前進撥桿產(chǎn)生前進運動。

向下拉動遙控器前進撥桿產(chǎn)生后退運動。翻滾(roll)飛行

向右推動遙控器翻滾撥桿產(chǎn)生向右飛行的運動。

向左推動遙控器翻滾撥桿產(chǎn)生向左飛行的運動。偏航（yaw）飛行

右推動遙控器偏航撥桿產(chǎn)生順時針方向的偏航動作。

向左推動遙控器偏航撥桿產(chǎn)生逆時針方向的偏航動作。無人機系統(tǒng)設計1無人機基本組成2無人機結(jié)構(gòu)與飛行控制原理3無人機系統(tǒng)設計飛行控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)設計

“光標”飛控系統(tǒng)的核心采用意法半導體公司的STM32F407。主頻：168MHzSRAM：192KbytesFlash：512Kbytes“光標”飛控的外設接口與傳感器分布遙控接收機接口PWM（PulseWidthModulation）信號，脈寬調(diào)制。它主要通過周期性的脈沖高電平寬度組成的方波來代表控制信號?！肮鈽恕憋w行控制系統(tǒng)的遙控接收機輸入接口

“光標”飛控最多支持12路PWM遙控輸入信號。PWM信號的優(yōu)點是傳輸過程高電平采用全電壓傳輸，非0即1，具有數(shù)字信號的特性，即可以擁有數(shù)信號的抗干擾能力。脈寬的寬度是可以連續(xù)調(diào)節(jié)的，因為這它是傳輸?shù)倪B續(xù)模擬信息。PWM信號的產(chǎn)生和采集解析比較簡單，只需要一定的數(shù)字電路或者定時器即可，基本不需要占用CPU的運算邏輯資源。傳輸?shù)男盘柫颗c電壓本身無關，因此對電壓上的噪聲紋波等不敏感。3214電調(diào)輸出接口

采用TIM的輸出比較模式（OutputCompare）直接控制PWM定時器輸出，這樣的好處是輸出控制信號無需消耗CPU的運算資源。陀螺儀加速度計

光標”飛控中采用的陀螺儀、加速度計是集成一體的芯片MPU6050。MPU6050提供了SPI接口和I2C接口兩套總線訪問方式。陀螺儀加速度計

磁力計是通過芯片內(nèi)部的微磁性材料來測量空間3維的磁場強度的傳感器，在“光標”飛控中主要采用的是QMC5883L來進行測量，通過I2C總線訪問。陀螺儀加速度計

氣壓高度計是通過測量大氣壓力來間接獲取氣壓高度的傳感器，本例采用MS5611氣壓傳感器是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和I2C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達到10cm。系統(tǒng)調(diào)試接口可以通過USART1進行系統(tǒng)的日志實時打印，以便于查看系統(tǒng)運行狀態(tài)以及方便調(diào)試。GNSS接口

GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem）全球?qū)Ш叫l(wèi)星位系統(tǒng)，主要包含美國的GPS，俄羅斯的GLONASS，歐盟的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GALILEO)，中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS），以及一些區(qū)域增強系統(tǒng)等。遙測數(shù)傳接口

在飛控系統(tǒng)中為遙測數(shù)傳模塊采用串行通信口連接?！肮鈽恕憋w控采用STM32系統(tǒng)的UART3串口作為遙測數(shù)傳模塊接口。光流與激光模塊接口

光流（opticflow），從本質(zhì)上說，就是我們在三維空間中視覺感應可以感覺到的運動模式，即光線的流動。激光測距是使用激光來對被測物體進行準確測距。超聲波測距模塊接口

超聲波測距模塊是用來測量距離，通過發(fā)送和收超聲波，利用時間差和聲音傳播速度，計算出模塊到前方障礙物的距離，“光標”飛控通過串口與超聲波測距模塊進行通信。EEPROM模塊

EEPROM模塊的功能主要是保存系統(tǒng)的傳感器校準參數(shù)，系統(tǒng)配置，軟件配置等信息。LED顯示接口

“光標”飛控還提供了4個可以顯示系統(tǒng)狀態(tài)的LED指示燈，通過STM32系統(tǒng)的GPIO來控制LED的亮滅以及閃爍來指示系統(tǒng)狀態(tài)。USB接口

STM32F407芯片本身還帶有一個USBOTG的接口，即可以做USB主設備，也可以做USB從設備，在“光標”飛控系統(tǒng)中同樣將其引出來，可以進行高速數(shù)據(jù)的傳說，作為在地面階段的調(diào)試口使用。無人機狀態(tài)估計無人機控制流程基于FreeRTOS的飛控系統(tǒng)設計通過實現(xiàn)對STM32的GPIO、時鐘配置、ADC、DMA以及TIM的介紹的同時實現(xiàn)無人機狀態(tài)指示燈的控制、無人機電池電壓的采集、無人機控制信號-PWM輸出以及無人機遙控信號-PWM輸入捕獲。第3章無人機系統(tǒng)狀態(tài)與輸入輸出控制信號1234無人機電池電壓讀取-ADC+DMA5無人機控制信號-PWM輸出無人機狀態(tài)指示燈控制無人機系統(tǒng)時鐘配置無人機電池電壓采集基礎-ADC6無人機遙控信號-PWM輸入捕獲無人機狀態(tài)指示燈控制1234無人機電池電壓讀取-ADC+DMA5無人機控制信號-PWM輸出無人機狀態(tài)指示燈控制無人機系統(tǒng)時鐘配置無人機電池電壓采集基礎-ADC6無人機遙控信號-PWM輸入捕獲無人機狀態(tài)指示燈控制了解ARMCortex-M系列芯片的定時器的工作原理。01通過配置STM32F407芯片定時器相關寄存器，實現(xiàn)PWM輸入捕獲。02GPIO基本屬性端口模式

01輸入

02輸出03復用04模擬輸出組態(tài)

01上拉

02下拉03浮空端口類型

01推挽

02開漏輸出速度

012MHZ

0225MHZ0350MHZ04100MHZGPIO組

01GPIOA

02GPIOB03...04GPIOGI/O口基本結(jié)構(gòu)端口模式寄存器（GPIOx_MODER）位2y:2y+1

：端口x配置位(y=0..15)端口輸出類型寄存器（GPIOx_OTYPER）位15:0

：端口x配置位(y=0..15)端口輸出速度寄存器（GPIOx_OSPEEDR）位2y:2y+1

：端口x配置位(y=0..15)端口上拉下拉寄存器（GPIOx_PUPDR）位2y:2y+1

：端口x配置位(y=0..15)端口輸入數(shù)據(jù)寄存器(GPIOx_IDR)位15:0

：端口輸入數(shù)據(jù)(y=0..15)端口輸出數(shù)據(jù)寄存器（GPIOx_ODR）位15:0

：端口輸出數(shù)據(jù)(y=0..15)原理圖無人機狀態(tài)指示燈控制控制LED燈的亮滅。練習簡述實現(xiàn)點亮LED燈的過程。01簡述GPIO的端口模式有哪些？02無人機系統(tǒng)時鐘配置1234無人機電池電壓讀取-ADC+DMA5無人機控制信號-PWM輸出無人機狀態(tài)指示燈控制無人機系統(tǒng)時鐘配置無人機電池電壓采集基礎-ADC6無人機遙控信號-PWM輸入捕獲無人機系統(tǒng)時鐘配置了解ARMCortex-M系列芯片的內(nèi)部時鐘及定時器使用。01通過配置STM32F407芯片的內(nèi)部定時器，實現(xiàn)流水燈效果。02SysTick定時器的寄存器寄存器名稱寄存器描述CTRLSysTick控制及狀態(tài)寄存器LOADSysTick重裝載值寄存器VALSysTick當前數(shù)值寄存器CALIBSysTick校準數(shù)值寄存器CTRL控制及狀態(tài)寄存器LOAD重裝載數(shù)值寄存器VAL當前數(shù)值寄存器時鐘樹無人機系統(tǒng)時鐘配置通過配置STM32F407芯片的內(nèi)部定時器，實現(xiàn)流水燈效果。練習簡述滴答定時器實現(xiàn)流程。01實現(xiàn)點亮其他的LED燈實現(xiàn)流水燈效果。02無人機電池電壓采集基礎-ADC1234無人機電池電壓讀取-ADC+DMA5無人機控制信號-PWM輸出無人機狀態(tài)指示燈控制無人機系統(tǒng)時鐘配置無人機電池電壓采集基礎-ADC6無人機遙控信號-PWM輸入捕獲無人機電池電壓采集基礎-ADC了解ADC的原理，熟練ARMCortex-M系列芯片的GPIO的配置。01通過配置STM32F407芯片ADC對應的GPIO與ADC相關寄存器，實現(xiàn)獲取芯片內(nèi)部溫度傳感器或外接AD傳感器數(shù)據(jù)的采集。02ADC功能框圖01電壓輸入范圍02輸入通道03轉(zhuǎn)換順序04觸發(fā)源05轉(zhuǎn)換時間06數(shù)據(jù)寄存器07中斷ADC狀態(tài)寄存器（ADC_SR）位5

：溢出位4：規(guī)則通道開始標志位3：注入通道開始標志位2：注入通道轉(zhuǎn)換結(jié)束位1：規(guī)則通道轉(zhuǎn)換結(jié)束位0：模擬看門狗標志ADC控制寄存器（ADC_CR1）位26：溢出中斷使能位25:24

：分辨率位23：規(guī)則通道上的模擬看門狗使能位22：注入通道上的模擬看門狗使能位15:13：不連續(xù)采樣模式通道計數(shù)位12：注入通道的不連續(xù)采樣模式位11：規(guī)則通道的不連續(xù)采樣模式位10：注入組自動轉(zhuǎn)換位9

：在掃描模式下使能單一通道上的看門狗位8

：掃描模式位7

：注入通道的中斷使能位6

：模擬看門狗中斷使能位5

：EOC中斷使能位4:0：模擬看門狗通道選擇位ADC控制寄存器（ADC_CR2）位30：開始轉(zhuǎn)換規(guī)則通道位29:28：規(guī)則通道的外部觸發(fā)使能位27:24：為規(guī)則組選擇外部事件位22：開始轉(zhuǎn)換注入通道位21:20：注入通道的外部觸發(fā)使能位19:1