一、引言

四軸飛行器，也稱為四旋翼飛行器或四軸無(wú)人機(jī)，是一種通過(guò)四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋翼產(chǎn)生升力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)飛行控制的飛行器。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，四軸飛行器在航拍、物流配送、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。主控板作為四軸飛行器的核心控制部件，其設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣直接影響到飛行器的性能、穩(wěn)定性和可靠性。本文將詳細(xì)介紹一種基于STM32的四軸飛行器主控板設(shè)計(jì)方案，包括優(yōu)選元器件型號(hào)、器件作用、選擇理由、元器件功能以及在方案中的電路框圖。

二、主控板整體設(shè)計(jì)方案

1. 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本設(shè)計(jì)方案旨在設(shè)計(jì)一款高性能、低功耗、易擴(kuò)展的四軸飛行器主控板，以滿足航拍、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。主控板應(yīng)具備以下功能：

• 實(shí)時(shí)接收并處理傳感器數(shù)據(jù)，包括加速度計(jì)、陀螺儀、氣壓計(jì)、GPS等。

• 根據(jù)飛行控制算法，精確控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，實(shí)現(xiàn)飛行器的穩(wěn)定飛行。

• 支持遙控器控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控飛行器。

• 具備豐富的接口資源，便于擴(kuò)展其他功能模塊，如攝像頭、圖傳模塊等。

2. 核心處理器選擇

本設(shè)計(jì)采用STM32F4系列單片機(jī)作為核心處理器。具體型號(hào)為STM32F407VGT6，該處理器具有以下特點(diǎn)：

• 高性能：內(nèi)核架構(gòu)為ARM Cortex-M4，主頻高達(dá)168MHz，具備強(qiáng)大的運(yùn)算能力。

• 低功耗：采用先進(jìn)的低功耗技術(shù)，適合電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景。

• 豐富接口：具備多個(gè)USART、SPI、I2C、CAN等接口，便于連接各種外設(shè)。

• 大容量存儲(chǔ)：內(nèi)置1MB Flash和192KB SRAM，滿足復(fù)雜算法和數(shù)據(jù)處理的需求。

• 開(kāi)發(fā)資料豐富：STM32F4系列單片機(jī)在市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛，擁有大量的開(kāi)發(fā)資料和社區(qū)支持，便于快速開(kāi)發(fā)和調(diào)試。

3. 模塊化設(shè)計(jì)策略

為了提高主控板的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)策略。將主控板劃分為以下幾個(gè)模塊：

• 電源管理模塊：負(fù)責(zé)為整個(gè)主控板提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

• 傳感器接口模塊：用于連接各種傳感器，如MPU6050（陀螺儀+加速度計(jì)）、HMC5883L（電子羅盤）、BMP280（氣壓計(jì)）等。

• 電機(jī)控制模塊：通過(guò)PWM信號(hào)控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。

• 通信模塊：包括遙控器接收模塊和無(wú)線通信模塊，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和數(shù)據(jù)傳輸。

• 擴(kuò)展接口模塊：提供豐富的接口資源，便于連接其他功能模塊。

三、優(yōu)選元器件型號(hào)及作用

1. 電源管理模塊

元器件型號(hào)：LM1117-3.3和LM2940-5

作用：

• LM1117-3.3：將5V電壓穩(wěn)壓至3.3V，為主控芯片和其他3.3V供電的外設(shè)提供穩(wěn)定的電源。

• LM2940-5：將鋰電池的11.4V電壓降至5V，作為L(zhǎng)M1117-3.3的輸入電壓。

選擇理由：

• 性能穩(wěn)定：LM1117和LM2940系列穩(wěn)壓芯片具有低噪聲、高精度、低功耗等特點(diǎn)，能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓。

• 適應(yīng)性強(qiáng)：這兩款穩(wěn)壓芯片能夠適應(yīng)較寬的輸入電壓范圍，滿足不同電池電壓的需求。

• 成本效益：這兩款芯片在市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛，價(jià)格適中，具有較高的性價(jià)比。

功能：

• 電壓轉(zhuǎn)換：將鋰電池的高電壓轉(zhuǎn)換為適合主控芯片和外設(shè)工作的低電壓。

• 過(guò)流保護(hù)：內(nèi)置過(guò)流保護(hù)功能，防止因電流過(guò)大而損壞芯片或外設(shè)。

2. 傳感器接口模塊

元器件型號(hào)：MPU6050、HMC5883L、BMP280

作用：

• MPU6050：集成三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，用于測(cè)量飛行器的加速度和角速度，進(jìn)而解算出飛行器的姿態(tài)信息。

• HMC5883L：電子羅盤，用于測(cè)量飛行器的航向角，輔助姿態(tài)解算。

• BMP280：氣壓計(jì)，用于測(cè)量大氣壓力，進(jìn)而推算出飛行器的海拔高度。

選擇理由：

• MPU6050：

• 高精度：具備16位精度的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠提供高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)。

• 集成度高：將加速度計(jì)和陀螺儀集成在一起，減少了外設(shè)數(shù)量和連接復(fù)雜度。

• 廣泛應(yīng)用：在市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛，具有豐富的開(kāi)發(fā)資料和社區(qū)支持。

• HMC5883L：

• 高精度：能夠提供高精度的航向角測(cè)量數(shù)據(jù)。

• 低功耗：適合電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景。

• 易于集成：通過(guò)I2C接口與主控芯片連接，易于集成到系統(tǒng)中。

• BMP280：

• 高精度：具備高精度的氣壓測(cè)量能力。

• 小體積：體積小、重量輕，適合安裝在四軸飛行器上。

• 低功耗：適合電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景。

功能：

• MPU6050：測(cè)量飛行器的加速度和角速度，為姿態(tài)解算提供原始數(shù)據(jù)。

• HMC5883L：測(cè)量飛行器的航向角，輔助姿態(tài)解算和導(dǎo)航。

• BMP280：測(cè)量大氣壓力，推算飛行器的海拔高度，實(shí)現(xiàn)定高飛行。

3. 電機(jī)控制模塊

元器件型號(hào)：ESC（電子調(diào)速器）

作用：

• 接收主控芯片發(fā)出的PWM信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。

• 保護(hù)電機(jī)免受過(guò)流、過(guò)壓等損壞。

選擇理由：

• 高性能：能夠快速響應(yīng)PWM信號(hào)的變化，精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。

• 保護(hù)功能完善：具備過(guò)流、過(guò)壓、短路等保護(hù)功能，確保電機(jī)的安全運(yùn)行。

• 兼容性好：與市場(chǎng)上主流的無(wú)刷電機(jī)兼容性好，便于選型和替換。

功能：

• 電機(jī)驅(qū)動(dòng)：根據(jù)PWM信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。

• 電機(jī)保護(hù)：在電機(jī)出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓等異常情況時(shí)，自動(dòng)切斷電源，保護(hù)電機(jī)免受損壞。

4. 通信模塊

元器件型號(hào)：FS-i6遙控器、FS-iA6B接收機(jī)、NRF24L01無(wú)線通信模塊

作用：

• FS-i6遙控器：用于操作者遠(yuǎn)程控制飛行器，發(fā)出上升、下降、左右轉(zhuǎn)動(dòng)、前進(jìn)、后退等指令。

• FS-iA6B接收機(jī)：接收遙控器發(fā)出的指令，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給主控芯片。

• NRF24L01無(wú)線通信模塊：用于飛行器與地面站或其他設(shè)備之間的無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

選擇理由：

• FS-i6遙控器和FS-iA6B接收機(jī)：

• 操作簡(jiǎn)便：遙控器具有直觀的操作界面和豐富的功能按鍵，便于操作者使用。

• 信號(hào)穩(wěn)定：接收機(jī)能夠穩(wěn)定接收遙控器發(fā)出的信號(hào)，確保遠(yuǎn)程控制的準(zhǔn)確性。

• 兼容性好：與市場(chǎng)上主流的四軸飛行器主控板兼容性好，便于集成和調(diào)試。

• NRF24L01無(wú)線通信模塊：

• 低功耗：適合電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景。

• 傳輸距離遠(yuǎn)：在開(kāi)闊地帶能夠?qū)崿F(xiàn)較遠(yuǎn)的傳輸距離。

• 抗干擾能力強(qiáng)：采用2.4GHz頻段進(jìn)行通信，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

功能：

• FS-i6遙控器：發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控飛行器。

• FS-iA6B接收機(jī)：接收遙控器指令并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給主控芯片。

• NRF24L01無(wú)線通信模塊：實(shí)現(xiàn)飛行器與地面站或其他設(shè)備之間的無(wú)線通信和數(shù)據(jù)傳輸。

5. 擴(kuò)展接口模塊

元器件型號(hào)：多種接口插座和連接器

作用：

• 提供豐富的接口資源，便于連接其他功能模塊，如攝像頭、圖傳模塊、GPS模塊等。

• 提高主控板的可擴(kuò)展性和靈活性。

選擇理由：

• 多樣性：提供多種類型的接口插座和連接器，滿足不同功能模塊的連接需求。

• 易用性：接口插座和連接器具有標(biāo)準(zhǔn)的尺寸和規(guī)格，便于插拔和更換。

• 可靠性：采用高質(zhì)量的接口插座和連接器，確保連接的穩(wěn)定性和可靠性。

功能：

• 連接功能模塊：通過(guò)接口插座和連接器連接其他功能模塊，如攝像頭、圖傳模塊等。

• 擴(kuò)展系統(tǒng)功能：根據(jù)實(shí)際需求添加或替換功能模塊，擴(kuò)展系統(tǒng)的功能和應(yīng)用場(chǎng)景。

四、電路框圖設(shè)計(jì)

以下是基于上述元器件選型的四軸飛行器主控板電路框圖：

+------------------+

|    電源管理模塊   |

|  LM2940-5 -> 5V  |

|  LM1117-3.3 -> 3.3V|

+------------------+

|

v

+------------------+

|   主控芯片STM32F4  |

+------------------+

|

+---------+---------+

|                   |

v                   v

+------------------+  +------------------+

|  傳感器接口模塊   |  |  電機(jī)控制模塊     |

|  MPU6050         |  |  ESC x4          |

|  HMC5883L        |  |                  |

|  BMP280          |  +------------------+

+------------------+

|

v

+------------------+

|   通信模塊       |

|  FS-iA6B接收機(jī)   |

|  NRF24L01無(wú)線通信|

+------------------+

|

v

+------------------+

|  擴(kuò)展接口模塊    |

|  多種接口插座    |

+------------------+

電路框圖說(shuō)明：

• 電源管理模塊：將鋰電池的11.4V電壓通過(guò)LM2940-5降至5V，再通過(guò)LM1117-3.3穩(wěn)壓至3.3V，為主控芯片和其他3.3V供電的外設(shè)提供穩(wěn)定的電源。

• 主控芯片STM32F4：作為整個(gè)主控板的核心處理器，負(fù)責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)、處理飛行控制算法、發(fā)出控制信號(hào)等。

• 傳感器接口模塊：連接MPU6050、HMC5883L、BMP280等傳感器，為主控芯片提供飛行器的姿態(tài)、航向、高度等信息。

• 電機(jī)控制模塊：通過(guò)ESC控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，實(shí)現(xiàn)飛行器的飛行控制。

• 通信模塊：包括FS-iA6B接收機(jī)和NRF24L01無(wú)線通信模塊，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和數(shù)據(jù)傳輸。

• 擴(kuò)展接口模塊：提供多種接口插座和連接器，便于連接其他功能模塊。

五、軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分主要包括傳感器數(shù)據(jù)讀取、姿態(tài)解算、PID控制器、電機(jī)輸出控制、遙控信號(hào)處理等模塊。以下是一個(gè)簡(jiǎn)要的軟件框架：

// 主程序框架

void main() {

// 初始化系統(tǒng)

System_Init();



while (1) {

// 讀取傳感器數(shù)據(jù)

Read_Sensor_Data();



// 姿態(tài)解算

Attitude_Estimation();



// PID控制

PID_Control();



// 電機(jī)輸出控制

Motor_Output_Control();



// 遙控信號(hào)處理

Remote_Control_Signal_Processing();

}

}



// 初始化系統(tǒng)

void System_Init() {

// 初始化時(shí)鐘、外設(shè)等

}



// 讀取傳感器數(shù)據(jù)

void Read_Sensor_Data() {

// 讀取MPU6050、HMC5883L、BMP280等傳感器的數(shù)據(jù)

}



// 姿態(tài)解算

void Attitude_Estimation() {

// 根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算，得到飛行器的姿態(tài)信息

}



// PID控制

void PID_Control() {

// 根據(jù)姿態(tài)信息和目標(biāo)姿態(tài)進(jìn)行PID控制，計(jì)算出電機(jī)控制量

}



// 電機(jī)輸出控制

void Motor_Output_Control() {

// 根據(jù)PID控制量輸出PWM信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向

}



// 遙控信號(hào)處理

void Remote_Control_Signal_Processing() {

// 處理遙控器發(fā)出的指令，如上升、下降、左右轉(zhuǎn)動(dòng)等

}

軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明：

• 初始化系統(tǒng)：在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，對(duì)時(shí)鐘、外設(shè)等進(jìn)行初始化設(shè)置。

• 讀取傳感器數(shù)據(jù)：定期讀取MPU6050、HMC5883L、BMP280等傳感器的數(shù)據(jù)，為姿態(tài)解算提供原始數(shù)據(jù)。

• 姿態(tài)解算：根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算，得到飛行器的姿態(tài)信息，如俯仰角、翻滾角、航向角等。

• PID控制：根據(jù)姿態(tài)信息和目標(biāo)姿態(tài)進(jìn)行PID控制，計(jì)算出電機(jī)控制量，以實(shí)現(xiàn)飛行器的穩(wěn)定飛行。

• 電機(jī)輸出控制：根據(jù)PID控制量輸出PWM信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，實(shí)現(xiàn)飛行器的飛行控制。

• 遙控信號(hào)處理：處理遙控器發(fā)出的指令，如上升、下降、左右轉(zhuǎn)動(dòng)等，并將指令轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號(hào)發(fā)送給主控芯片。

六、總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了一種基于STM32的四軸飛行器主控板設(shè)計(jì)方案，包括優(yōu)選元器件型號(hào)、器件作用、選擇理由、元器件功能以及在方案中的電路框圖。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)策略，將主控板劃分為電源管理模塊、傳感器接口模塊、電機(jī)控制模塊、通信模塊和擴(kuò)展接口模塊等五個(gè)部分，提高了主控板的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。在軟件設(shè)計(jì)部分，給出了一個(gè)簡(jiǎn)要的軟件框架，包括傳感器數(shù)據(jù)讀取、姿態(tài)解算、PID控制器、電機(jī)輸出控制、遙控信號(hào)處理等模塊。通過(guò)本設(shè)計(jì)方案，可以制作出一款高性能、低功耗、易擴(kuò)展的四軸飛行器主控板，滿足航拍、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。