多旋翼無(wú)人機(jī)飛行器嵌入式飛控開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)無(wú)人機(jī)基本組成1無(wú)人機(jī)基本組成2無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)與飛行控制原理3無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的介紹

無(wú)人機(jī)，也稱無(wú)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(dòng)控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等必要機(jī)載設(shè)備的飛行器，能夠進(jìn)行一定的穩(wěn)態(tài)控制和飛行，一定的自主飛行而無(wú)需人工干預(yù)。無(wú)人機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的綜合系統(tǒng)，它對(duì)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)、圖像處理技術(shù)、控制理論都有較深的應(yīng)用和較高的要求。固定翼無(wú)人飛行器續(xù)航時(shí)間最長(zhǎng)飛行效率最高載荷最大起飛需要助跑降落需要滑行對(duì)場(chǎng)地要求較高優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)無(wú)人飛艇留空時(shí)間可以較長(zhǎng)懸停方便安全可靠控制也較簡(jiǎn)單起飛需要助跑降落需要滑行對(duì)場(chǎng)地要求較高優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)傘翼無(wú)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(dòng)力較小易受強(qiáng)風(fēng)影響機(jī)體過(guò)輕，受側(cè)風(fēng)影響較強(qiáng)烈優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)撲翼無(wú)人飛行器

基于仿生學(xué)原理，配備的活動(dòng)機(jī)翼能夠模擬飛鳥(niǎo)的翅膀上下?lián)鋭?dòng)的動(dòng)作從而產(chǎn)生升力和向前的推動(dòng)力，又稱振翼機(jī)。簡(jiǎn)介旋翼無(wú)人飛行器可以垂直起降對(duì)場(chǎng)地要求很低機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易維護(hù)保養(yǎng)控制簡(jiǎn)單載重較低續(xù)航時(shí)間較短優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)多旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域交通安防巡查農(nóng)林植保消防救援災(zāi)害救援城市管理規(guī)劃影視航拍電力巡線探礦測(cè)繪機(jī)架系統(tǒng)

優(yōu)點(diǎn)是美觀，可靠，性能一致性較好，一般價(jià)格相對(duì)不低，主要面向的是普通消費(fèi)者玩家或者初學(xué)者。

缺點(diǎn)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(wú)法自行更換零件。一體機(jī)

優(yōu)點(diǎn)是可組裝，可塑性，可外掛各種實(shí)驗(yàn)負(fù)載，方便維修以及更換升級(jí)零件。

缺點(diǎn)是需要有較深厚的經(jīng)驗(yàn)，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性可能會(huì)受到裝配校準(zhǔn)等方面的問(wèn)題的影響。組裝機(jī)機(jī)架系統(tǒng)必要的部件腳架機(jī)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(yīng)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(tái)等掛載設(shè)備騰出空間，還可以提供降落緩沖，保障機(jī)體安全機(jī)臂一般采用碳管、PA等材料，保證輕質(zhì)牢固的特點(diǎn)動(dòng)力系統(tǒng)無(wú)刷直流電機(jī)，顧名思義，是不帶電刷的，由于省去了電刷，使得沒(méi)有了電刷損耗，也沒(méi)有了有刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電火花，極大降低了電磁打火對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的干擾。無(wú)刷電機(jī)有刷電機(jī)是早期電機(jī)，將磁鐵固定在電機(jī)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(jī)采用內(nèi)部集成了電刷進(jìn)行電極換相，保持電機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。有刷電機(jī)電子調(diào)速器

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

電調(diào)具有相應(yīng)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(dá)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(dòng)力系統(tǒng)的組成中另一個(gè)非常重要的部分就是螺旋槳，螺旋槳是通過(guò)自身旋轉(zhuǎn)，將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功率轉(zhuǎn)化為動(dòng)力的裝置。遙控器和遙控接收機(jī)

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(hào)的寬度位置來(lái)表示舵量，每個(gè)通道由8個(gè)型號(hào)脈沖組成，脈沖個(gè)數(shù)不變，脈沖寬度相同，只是脈沖的相位不同，由相位來(lái)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(jìn)制數(shù)字來(lái)進(jìn)行編碼，形成數(shù)據(jù)幀。PCM調(diào)制動(dòng)力電源與充電系統(tǒng)電動(dòng)多旋翼飛行器上由于電機(jī)的工作電流非常大，需要采用能夠支持高放電電流的動(dòng)力可充電鋰電池供電，放電電流的大小通常用放電倍率來(lái)表示，即C值。無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)與飛行控制原理1無(wú)人機(jī)基本組成2無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)與飛行控制原理3無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)機(jī)身布局無(wú)人機(jī)的旋翼結(jié)構(gòu)單旋翼多旋翼單槳共軸雙槳無(wú)人機(jī)的飛行控制原理

4個(gè)旋翼中對(duì)角線上的兩個(gè)旋翼選裝方向相同，相鄰的兩個(gè)旋翼選裝方向相反，其中3、4號(hào)旋翼按照順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，這里選用的是正槳，而1、2號(hào)旋翼按照逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，采用的是反槳。懸停姿態(tài)

在飛行器懸停時(shí)，槳盤(pán)面垂直于重力，4個(gè)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(chǔ)上，向上推動(dòng)遙控器油門(mén)撥桿時(shí)飛行器產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)。

向下拉動(dòng)遙控器油門(mén)撥桿時(shí)飛行器產(chǎn)生下降運(yùn)動(dòng)。俯仰(pitch)飛行

向上推動(dòng)遙控器前進(jìn)撥桿產(chǎn)生前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

向下拉動(dòng)遙控器前進(jìn)撥桿產(chǎn)生后退運(yùn)動(dòng)。翻滾(roll)飛行

向右推動(dòng)遙控器翻滾撥桿產(chǎn)生向右飛行的運(yùn)動(dòng)。

向左推動(dòng)遙控器翻滾撥桿產(chǎn)生向左飛行的運(yùn)動(dòng)。偏航（yaw）飛行

右推動(dòng)遙控器偏航撥桿產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻钠絼?dòng)作。

向左推動(dòng)遙控器偏航撥桿產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻钠絼?dòng)作。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1無(wú)人機(jī)基本組成2無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)與飛行控制原理3無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)飛行控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

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

“光標(biāo)”飛控最多支持12路PWM遙控輸入信號(hào)。PWM信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是傳輸過(guò)程高電平采用全電壓傳輸，非0即1，具有數(shù)字信號(hào)的特性，即可以擁有數(shù)信號(hào)的抗干擾能力。脈寬的寬度是可以連續(xù)調(diào)節(jié)的，因?yàn)檫@它是傳輸?shù)倪B續(xù)模擬信息。PWM信號(hào)的產(chǎn)生和采集解析比較簡(jiǎn)單，只需要一定的數(shù)字電路或者定時(shí)器即可，基本不需要占用CPU的運(yùn)算邏輯資源。傳輸?shù)男盘?hào)量與電壓本身無(wú)關(guān)，因此對(duì)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(shí)器輸出，這樣的好處是輸出控制信號(hào)無(wú)需消耗CPU的運(yùn)算資源。陀螺儀加速度計(jì)

光標(biāo)”飛控中采用的陀螺儀、加速度計(jì)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(wèn)方式。陀螺儀加速度計(jì)

磁力計(jì)是通過(guò)芯片內(nèi)部的微磁性材料來(lái)測(cè)量空間3維的磁場(chǎng)強(qiáng)度的傳感器，在“光標(biāo)”飛控中主要采用的是QMC5883L來(lái)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)I2C總線訪問(wèn)。陀螺儀加速度計(jì)

氣壓高度計(jì)是通過(guò)測(cè)量大氣壓力來(lái)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(dá)到10cm。系統(tǒng)調(diào)試接口可以通過(guò)USART1進(jìn)行系統(tǒng)的日志實(shí)時(shí)打印，以便于查看系統(tǒng)運(yùn)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(guó)的GPS，俄羅斯的GLONASS，歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GALILEO)，中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS），以及一些區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)等。遙測(cè)數(shù)傳接口

在飛控系統(tǒng)中為遙測(cè)數(shù)傳模塊采用串行通信口連接。“光標(biāo)”飛控采用STM32系統(tǒng)的UART3串口作為遙測(cè)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(shuō)，就是我們?cè)谌S空間中視覺(jué)感應(yīng)可以感覺(jué)到的運(yùn)動(dòng)模式，即光線的流動(dòng)。激光測(cè)距是使用激光來(lái)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)距。超聲波測(cè)距模塊接口

超聲波測(cè)距模塊是用來(lái)測(cè)量距離，通過(guò)發(fā)送和收超聲波，利用時(shí)間差和聲音傳播速度，計(jì)算出模塊到前方障礙物的距離，“光標(biāo)”飛控通過(guò)串口與超聲波測(cè)距模塊進(jìn)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(zhǔn)參數(shù)，系統(tǒng)配置，軟件配置等信息。LED顯示接口

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

STM32F407芯片本身還帶有一個(gè)USBOTG的接口，即可以做USB主設(shè)備，也可以做USB從設(shè)備，在“光標(biāo)”飛控系統(tǒng)中同樣將其引出來(lái)，可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)的傳說(shuō)，作為在地面階段的調(diào)試口使用。無(wú)人機(jī)狀態(tài)估計(jì)無(wú)人機(jī)控制流程基于FreeRTOS的飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)STM32的GPIO、時(shí)鐘配置、ADC、DMA以及TIM的介紹的同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)狀態(tài)指示燈的控制、無(wú)人機(jī)電池電壓的采集、無(wú)人機(jī)控制信號(hào)-PWM輸出以及無(wú)人機(jī)遙控信號(hào)-PWM輸入捕獲。第3章無(wú)人機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)與輸入輸出控制信號(hào)1234無(wú)人機(jī)電池電壓讀取-ADC+DMA5無(wú)人機(jī)控制信號(hào)-PWM輸出無(wú)人機(jī)狀態(tài)指示燈控制無(wú)人機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘配置無(wú)人機(jī)電池電壓采集基礎(chǔ)-ADC6無(wú)人機(jī)遙控信號(hào)-PWM輸入捕獲無(wú)人機(jī)狀態(tài)指示燈控制1234無(wú)人機(jī)電池電壓讀取-ADC+DMA5無(wú)人機(jī)控制信號(hào)-PWM輸出無(wú)人機(jī)狀態(tài)指示燈控制無(wú)人機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘配置無(wú)人機(jī)電池電壓采集基礎(chǔ)-ADC6無(wú)人機(jī)遙控信號(hào)-PWM輸入捕獲無(wú)人機(jī)狀態(tài)指示燈控制了解ARMCortex-M系列芯片的定時(shí)器的工作原理。01通過(guò)配置STM32F407芯片定時(shí)器相關(guān)寄存器，實(shí)現(xiàn)PWM輸入捕獲。02GPIO基本屬性端口模式

01輸入

02輸出03復(fù)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(kāi)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(wú)人機(jī)狀態(tài)指示燈控制控制LED燈的亮滅。練習(xí)簡(jiǎn)述實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮LED燈的過(guò)程。01簡(jiǎn)述GPIO的端口模式有哪些？02無(wú)人機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘配置1234無(wú)人機(jī)電池電壓讀取-ADC+DMA5無(wú)人機(jī)控制信號(hào)-PWM輸出無(wú)人機(jī)狀態(tài)指示燈控制無(wú)人機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘配置無(wú)人機(jī)電池電壓采集基礎(chǔ)-ADC6無(wú)人機(jī)遙控信號(hào)-PWM輸入捕獲無(wú)人機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘配置了解ARMCortex-M系列芯片的內(nèi)部時(shí)鐘及定時(shí)器使用。01通過(guò)配置STM32F407芯片的內(nèi)部定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)流水燈效果。02SysTick定時(shí)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(dāng)前數(shù)值寄存器CALIBSysTick校準(zhǔn)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(dāng)前數(shù)值寄存器時(shí)鐘樹(shù)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘配置通過(guò)配置STM32F407芯片的內(nèi)部定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)流水燈效果。練習(xí)簡(jiǎn)述滴答定時(shí)器實(shí)現(xiàn)流程。01實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮其他的LED燈實(shí)現(xiàn)流水燈效果。02無(wú)人機(jī)電池電壓采集基礎(chǔ)-ADC1234無(wú)人機(jī)電池電壓讀取-ADC+DMA5無(wú)人機(jī)控制信號(hào)-PWM輸出無(wú)人機(jī)狀態(tài)指示燈控制無(wú)人機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘配置無(wú)人機(jī)電池電壓采集基礎(chǔ)-ADC6無(wú)人機(jī)遙控信號(hào)-PWM輸入捕獲無(wú)人機(jī)電池電壓采集基礎(chǔ)-ADC了解ADC的原理，熟練ARMCortex-M系列芯片的GPIO的配置。01通過(guò)配置STM32F407芯片ADC對(duì)應(yīng)的GPIO與ADC相關(guān)寄存器，實(shí)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(shí)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(kāi)始標(biāo)志位3：注入通道開(kāi)始標(biāo)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(mén)狗標(biāo)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(mén)狗使能位22：注入通道上的模擬看門(mén)狗使能位15:13：不連續(xù)采樣模式通道計(jì)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(dòng)轉(zhuǎn)換位9

：在掃描模式下使能單一通道上的看門(mén)狗位8

：掃描模式位7

：注入通道的中斷使能位6

：模擬看門(mén)狗中斷使能位5

：EOC中斷使能位4:0：模擬看門(mén)狗通道選擇位ADC控制寄存器（ADC_CR2）位30：開(kāi)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(kāi)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