基于GD32F103 MCU四旋翼飛行器第二步：整體方案 試飛效果

        前言：

近幾年四軸飛行器的市場(chǎng)已經(jīng)慢慢火起來(lái)了，大家也都或多或少的從各個(gè)方面接觸到了四軸，其中作為商品應(yīng)用的最廣泛的領(lǐng)域就是航拍。說(shuō)白了，目前四軸還是處于玩具的階段，無(wú)非就是誰(shuí)家玩具做的好，誰(shuí)家做的壞而已。從技術(shù)上來(lái)講，這是受限于算法、載重、續(xù)航、智能控制等等，從環(huán)境上來(lái)講，還是受限于各方面的安全性。GD32系列MCU的高性能處理能力提高了代碼執(zhí)行效率，從而使算法的控制更快速有效，加上明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，目前在飛行器市場(chǎng)已經(jīng)有了較高的知名度。

本系列的主要目的就是提供一個(gè)基于GD32 MCU的四軸飛行器基本方案設(shè)計(jì)，傳感器方面只使用了慣性傳感器，未使用氣壓計(jì)、超聲波、光流傳感器、攝像頭動(dòng)態(tài)捕捉等。

軟件方面目前的功能：

1.開(kāi)啟傳感器低通濾波98Hz，濾掉電機(jī)震動(dòng)對(duì)加速度計(jì)和陀螺儀的影響;

2.磁力計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，代碼直接完成，不需要PC干預(yù)。換個(gè)地方飛不用再帶個(gè)電腦做校準(zhǔn)了;

3.陀螺儀零偏自校準(zhǔn);

4.加速度計(jì)零偏和靈敏度校準(zhǔn);

4.代碼時(shí)間片管理，姿態(tài)融合500Hz，PID控制200Hz;

5.9DOF的慣性傳感器數(shù)據(jù)融合算法;

6.標(biāo)準(zhǔn)的位置式PID控制，控制參數(shù)采用kp，Ti，Td;

7.固定航向模式。日后加入可控航向。

8.串口在線調(diào)試，使用藍(lán)牙無(wú)線傳輸，支持在線參數(shù)保存和讀取，采用GD32F103內(nèi)部Flash來(lái)保存參數(shù)，不用外擴(kuò)存儲(chǔ)芯片，也方便調(diào)試PID參數(shù)和磁力計(jì)校準(zhǔn)。

9.飛行模式：x模式

硬件方面見(jiàn)下圖：

下面這張是自己設(shè)計(jì)的飛控板第二版，兼容F10x/F2xx/F4xx系列MCU，外擴(kuò)4個(gè)PWMin外接遙控接收機(jī)，4個(gè)PWMout外接motor，4個(gè)PWM備用，1個(gè)DCMI攝像頭接口，1個(gè)USART接藍(lán)牙模塊，1個(gè)SPI可接SPI nand flash，1個(gè)I2C接口可外接其他傳感器，1個(gè)TF卡插槽用于存儲(chǔ)視頻。

      

正面：

 

反面：

 

下面這張是整機(jī)：兩個(gè)白色軸中間是機(jī)頭，右邊白色軸上是之前做的藍(lán)牙模塊，整機(jī)標(biāo)配：450機(jī)架，980kv電機(jī)，好盈20A電調(diào)，11.1V-3S動(dòng)力電池，7通道接收機(jī)，鋰電池低壓報(bào)警器，槳是1047。

 

下面這張是調(diào)PID的時(shí)候：此時(shí)yaw、pitch和roll的PID都調(diào)的差不多了，已經(jīng)很穩(wěn)了。

 

飛行截圖：

 

下面這張是試飛時(shí)墜機(jī)的原因：螺絲松了，軸也摔彎了，因?yàn)楫?dāng)時(shí)未找到合適的槳夾，用螺絲代替的。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，有兩個(gè)軸必須要使用逆向的螺紋，這樣才能保證螺絲越轉(zhuǎn)越緊，我只能說(shuō)電機(jī)廠家在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)就應(yīng)該配備逆向螺紋電機(jī)和正向螺紋電機(jī)，方便小客戶。

 

下面這張是飛控板被摔后的，萬(wàn)幸可以修復(fù)：

 

今天飛了3次，目前電池充滿續(xù)航也就20分鐘不到，這次是失敗的例子，就放上來(lái)了，目前的情況是飛的還算平穩(wěn)，不過(guò)基本都是被它牽著鼻子走，畢竟標(biāo)準(zhǔn)PID只能保證平穩(wěn)飛起來(lái)，操控性能不好。槳的螺絲松了也是個(gè)大的教訓(xùn)，一定要用槳夾。

下面說(shuō)一些各種技術(shù)上的東西，個(gè)人感覺(jué)還是有點(diǎn)用的，包括PID、整機(jī)等等。

PID：

PID分兩種，位置式和增量式，我采用的是位置式，將Ki和Kd用Ti和Td的形式來(lái)表達(dá)，并帶入到式2-3中，ek=角度的期望-傳感器輸出的角度，所用的PID三個(gè)參數(shù)是：Kp、Ti、Td。公式如圖所示：

 

四軸PID控制的目的就是將接收到的遙控的控制信號(hào)(一般有油門(mén)THR、升降舵ELE(對(duì)應(yīng)pitch)、副翼Ail(對(duì)應(yīng)roll)、方向舵RUD(對(duì)應(yīng)yaw))與飛控板本身計(jì)算得出pitch、roll、yaw做比較，分別得出它們之間的誤差值，然后將Kp、Ti、Td與這個(gè)誤差值結(jié)合得出PID輸出(PID_pitch、PID_roll或者PID_yaw)，再將這三個(gè)PID輸出與油門(mén)結(jié)合在一起算出送到每一個(gè)電調(diào)的PWM數(shù)值，從而控制每一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

PID參數(shù)的調(diào)試我是用的土辦法，分別對(duì)俯仰、翻滾和偏航做PID調(diào)試，x模式下先同時(shí)上Kp和Td，光靠Kp是穩(wěn)不住四軸的，調(diào)的差不多了上Ti消除靜態(tài)誤差。在調(diào)這三個(gè)參數(shù)時(shí)，要相輔相成，切忌把某一個(gè)參數(shù)固定下來(lái)，因?yàn)樗鼈冎g都會(huì)相互影響。

我們還需要考慮三個(gè)問(wèn)題，這三個(gè)問(wèn)題都是圍繞《讓自己的四軸怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)》：

1. 飛行時(shí)是使用“+”模式還是使用“x”模式

2. 四個(gè)電機(jī)分別該如何旋轉(zhuǎn)，是逆時(shí)針還是順時(shí)針

3. 每個(gè)電機(jī)該怎樣旋轉(zhuǎn)才能讓我們的四軸上升、下降、左翻、右翻、上仰、俯沖、左轉(zhuǎn)頭或者右轉(zhuǎn)頭

對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題來(lái)說(shuō)：

一般“+”模式比較好操作，也比較好調(diào)節(jié)PID的那三個(gè)參數(shù)，而“x”模式飛行起來(lái)比較靈活，可以做很多復(fù)雜動(dòng)作，但是比較難操作，這里我用的是“x”模式，對(duì)于新手來(lái)說(shuō)，包括我，雖然“x”模式難一些，不過(guò)最多也就是需要時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)和熟練罷了，其實(shí)也沒(méi)什么難的。

對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題：

首先要確定飛控板的xyz軸正方向如何放置，然后確定4個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向分別是什么，我定義的方式如下圖，Y正方向?yàn)樗妮S前進(jìn)方向：

 

M1、M2、M3、M4分別為4個(gè)電機(jī)，其中M1和M4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，M2和M3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

對(duì)于第三個(gè)問(wèn)題：

還是看上圖，我定義三點(diǎn)：

1.xyz軸的正方向?yàn)椋簓指向正北，x指向東，z指向天;

2.繞y旋轉(zhuǎn)是roll，繞x旋轉(zhuǎn)是pitch，繞z旋轉(zhuǎn)是yaw;

3.Yaw北偏西為正，pitch往上為正，roll“右翼”下沉為正。

令：“+”表示增加該電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，“-”表示減小該電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，那么“x”模式下的控制規(guī)律如下：

 

最后得出每個(gè)電機(jī)需要的PWM輸出計(jì)算公式：

 

其中Limit_PWMOUT函數(shù)是限制PWM的輸出，根據(jù)電調(diào)的PWM占空比來(lái)確定。

還有一點(diǎn)需要注意的，就是槳葉的安裝，槳葉是分正反漿的，通俗的說(shuō)，安裝時(shí)要保證4個(gè)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)都是往下吹風(fēng)的。

四軸零件之間的接線與簡(jiǎn)單說(shuō)明：

4個(gè)電調(diào)的正負(fù)極需要并聯(lián)(紅色連一起，黑色連1一起)，并接到電池的正負(fù)極上;

電調(diào)3根黑色的電機(jī)控制線，連接電機(jī)，交換任意兩根黑色的連線，可改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，以此來(lái)改變槳的旋轉(zhuǎn)方向;

電調(diào)有個(gè)BEC輸出，共3根線，紅、黑線用于輸出5v的電壓，給飛行控制板供電，另外一根線用于接收飛行控制板的PWMout信號(hào);

遙控接收器連接在飛行控制器的PWMin上，輸出遙控信號(hào)給飛控板，并同時(shí)從飛行控制板上得到5v供電;

關(guān)于PWMin和PWMout：

對(duì)于我的天地飛7通遙控+WFT07接收機(jī)來(lái)說(shuō)，遙控發(fā)送給接收機(jī)的信號(hào)是PPM，而接收機(jī)輸出的信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的PWM。

對(duì)于接收機(jī)來(lái)說(shuō)，我們只需要關(guān)心它輸出的高電平時(shí)間，也就是PWMin，不用管占空比，因此TIM_Period設(shè)定為 0xFFFF。我的WFT07接收機(jī)的PWM周期是20ms，高電平是1ms~2ms。

對(duì) 于給電調(diào)的輸入來(lái)說(shuō)，也就是PWMout，要確定其占空比，一般根據(jù)自己的電調(diào)來(lái)確定這個(gè)占空比，我用的是好盈天行者20A，頻率為50~432hz，所 以我的PWM周期設(shè)定為2.5ms 頻率400hz，高電平持續(xù)時(shí)間限制在0.875ms~2.0ms，高電平一般在周期的20%~80%。

如何將遙控的PWMin轉(zhuǎn)化為期望的角度expect：

先看一個(gè)公式：e(t)=expect – measured，這是PID中的誤差e(t)，等于遙控期望值減去傳感器的測(cè)量值。

而將遙控的PWMin轉(zhuǎn)化為期望的角度expect所達(dá)到的目的就是將PWMin轉(zhuǎn)化為expect，使expect的范圍大小(不是單位，PWMin的單位可以看成已經(jīng)是角度單位了)與measured的對(duì)應(yīng)起來(lái)，并限制expect的范圍，對(duì)新手來(lái)說(shuō)好操控。

至于轉(zhuǎn)化，就是將PWMin通過(guò)一些加減乘除限定在一定范圍內(nèi)，比如我將PWMin(Motor_Ail、Motor_Ele、Motor_Rud)限定在-25度到+25度內(nèi)，而Motor_Thr保持原來(lái)的范圍，暫不做限定，可根據(jù)具體操作手感來(lái)做限定，如下圖，其中AilMiddle、EleMiddle、RudMiddle均為1500：

 

關(guān)于對(duì)PWMin的濾波：

 

將TIM_ICFilter設(shè)置為0x0B，濾掉1us以下脈沖干擾，防止誤進(jìn)PWMin中斷，避免將干擾信號(hào)當(dāng)作PWMin來(lái)接收。

最后：

試飛視頻和完整代碼見(jiàn)21ic上Gigadevice GD32 MCU的線上論壇：http://bbs.21ic.com/forum.php?mod=viewthread&tid=718442&page=1&extra=#pid4167670。代碼是針對(duì)的是GD32F103VCT6這款芯片的，系統(tǒng)時(shí)鐘108M，較高的系統(tǒng)時(shí)鐘意味著更快速度的運(yùn)算效率，代碼是在《四軸飛行器第一步》的基礎(chǔ)上添改了很多東西，驗(yàn)證無(wú)誤。至此四軸飛行器整體方案算是告一段落，希望能給大家?guī)?lái)幫助，敬請(qǐng)期待后續(xù)改進(jìn)