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已經(jīng)慢慢火起來了，大家也都或多或少的從各個方面接觸到了四軸，其中作為商品應(yīng)用的最廣泛的領(lǐng)域就是航拍。說白了，目前四軸還是處于玩具的階段，無非就是誰家玩具做的好，誰家做的壞而已。從技術(shù)上來講，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，加上明顯的價格優(yōu)勢，目前在飛行器市場已經(jīng)有了較高的知名度。

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

軟件方面目前的功能：

1.開啟傳感器低通濾波98Hz，濾掉電機震動對加速度計和陀螺儀的影響;

2.磁力計現(xiàn)場校準，代碼直接完成，不需要PC干預(yù)。換個地方飛不用再帶個電腦做校準了;

3.陀螺儀零偏自校準;

4.加速度計零偏和靈敏度校準;

4.代碼時間片管理，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.標準的位置式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，使用藍牙無線傳輸，支持在線參數(shù)保存和讀取，采用GD32F103內(nèi)部Flash來保存參數(shù)，不用外擴存儲芯片，也方便調(diào)試PID參數(shù)和磁力計校準。

9.飛行模式：x模式

硬件方面見下圖：

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

      

正面：

 

反面：

 

下面這張是整機：兩個白色軸中間是機頭，右邊白色軸上是之前做的藍牙模塊，整機標配：450機架，980kv電機，好盈20A電調(diào)，11.1V-3S動力電池，7通道接收機，鋰電池低壓報警器，槳是1047。

 

下面這張是調(diào)PID的時候：此時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：

 

下面這張是試飛時墜機的原因：螺絲松了，軸也摔彎了，因為當時未找到合適的槳夾，用螺絲代替的。電機轉(zhuǎn)動時，有兩個軸必須要使用逆向的螺紋，這樣才能保證螺絲越轉(zhuǎn)越緊，我只能說電機廠家在設(shè)計電機時就應(yīng)該配備逆向螺紋電機和正向螺紋電機，方便小客戶。

 

下面這張是飛控板被摔后的，萬幸可以修復(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，就放上來了，目前的情況是飛的還算平穩(wěn)，不過基本都是被它牽著鼻子走，畢竟標準PID只能保證平穩(wěn)飛起來，操控性能不好。槳的螺絲松了也是個大的教訓(xùn)，一定要用槳夾。

下面說一些各種技術(shù)上的東西，個人感覺還是有點用的，包括PID、整機等等。

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的形式來表達，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(一般有油門THR、升降舵ELE(對應(yīng)pitch)、副翼Ail(對應(yīng)roll)、方向舵RUD(對應(yīng)yaw))與飛控板本身計算得出pitch、roll、yaw做比較，分別得出它們之間的誤差值，然后將Kp、Ti、Td與這個誤差值結(jié)合得出PID輸出(PID_pitch、PID_roll或者PID_yaw)，再將這三個PID輸出與油門結(jié)合在一起算出送到每一個電調(diào)的PWM數(shù)值，從而控制每一個電機的轉(zhuǎn)動。

PID參數(shù)的調(diào)試我是用的土辦法，分別對俯仰、翻滾和偏航做PID調(diào)試，x模式下先同時上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)這三個參數(shù)時，要相輔相成，切忌把某一個參數(shù)固定下來，因為它們之間都會相互影響。

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

1. 飛行時是使用“+”模式還是使用“x”模式

2. 四個電機分別該如何旋轉(zhuǎn)，是逆時針還是順時針

3. 每個電機該怎樣旋轉(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

對于第一個問題來說：

一般“+”模式比較好操作，也比較好調(diào)節(jié)PID的那三個參數(shù)，而“x”模式飛行起來比較靈活，可以做很多復(fù)雜動作，但是比較難操作，這里我用的是“x”模式，對于新手來說，包括我，雖然“x”模式難一些，不過最多也就是需要時間來學(xué)習(xí)和熟練罷了，其實也沒什么難的。

對于第二個問題：

首先要確定飛控板的xyz軸正方向如何放置，然后確定4個電機的旋轉(zhuǎn)方向分別是什么，我定義的方式如下圖，Y正方向為四軸前進方向：

 

M1、M2、M3、M4分別為4個電機，其中M1和M4順時針旋轉(zhuǎn)，M2和M3逆時針旋轉(zhuǎn)。

對于第三個問題：

還是看上圖，我定義三點：

1.xyz軸的正方向為：y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：“+”表示增加該電機的旋轉(zhuǎn)速度，“-”表示減小該電機的旋轉(zhuǎn)速度，那么“x”模式下的控制規(guī)律如下：

 

最后得出每個電機需要的PWM輸出計算公式：

 

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

還有一點需要注意的，就是槳葉的安裝，槳葉是分正反漿的，通俗的說，安裝時要保證4個槳葉轉(zhuǎn)動時都是往下吹風(fēng)的。

四軸零件之間的接線與簡單說明：

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

電調(diào)3根黑色的電機控制線，連接電機，交換任意兩根黑色的連線，可改變電機轉(zhuǎn)動方向，以此來改變槳的旋轉(zhuǎn)方向;

電調(diào)有個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;

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

關(guān)于PWMin和PWMout：

對于我的天地飛7通遙控+WFT07接收機來說，遙控發(fā)送給接收機的信號是PPM，而接收機輸出的信號是標準的PWM。

對于接收機來說，我們只需要關(guān)心它輸出的高電平時間，也就是PWMin，不用管占空比，因此TIM_Period設(shè)定為 0xFFFF。我的WFT07接收機的PWM周期是20ms，高電平是1ms~2ms。

對 于給電調(diào)的輸入來說，也就是PWMout，要確定其占空比，一般根據(jù)自己的電調(diào)來確定這個占空比，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量值。

而將遙控的PWMin轉(zhuǎn)化為期望的角度expect所達到的目的就是將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的對應(yīng)起來，并限制expect的范圍，對新手來說好操控。

至于轉(zhuǎn)化，就是將PWMin通過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保持原來的范圍，暫不做限定，可根據(jù)具體操作手感來做限定，如下圖，其中AilMiddle、EleMiddle、RudMiddle均為1500：

 

關(guān)于對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PWMin中斷，避免將干擾信號當作PWMin來接收。

最后：

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