基于stm32的航拍四轴飞行器控制系统的制作方法
专利名称:基于stm32的航拍四轴飞行器控制系统的制作方法
【专利摘要】基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，包括电源模块、电子调速器模块、姿态检测模块、姿态传感器和STM32单片机，以stm32单片机为核心，配备有姿态传感器模块，stm32单片机得到电机的控制量，进而使电机达到合适的转速，四轴飞行器即会保持对应的姿态，四轴飞行器可完成俯仰、横滚、偏航等运动。
【专利说明】
基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统
技术领域
[〇〇〇1]本实用新型涉及一种控制系统，具体说的是基于STM32单片机的航拍四轴飞行器控制系统。【背景技术】
[0002]随着科技的快速发展，四轴飞行器的研究日益深入，四轴飞行器越来越受到人们的关注，其军用，民用，商用价值都得到了提升。目前，四轴飞行器具有广泛的应用前景。在救险、城市交通、环境监控以及工业安全巡检等领域都有大量的应用之处。四轴飞行器在检测生化武器以及核辐射危险区域等任务中也能发挥重要作用。【实用新型内容】
[0003]为解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，以stm32单片机为核心，配备有姿态传感器模块，stm32单片机得到电机的控制量，进而使电机达到合适的转速，四轴飞行器即会保持对应的姿态，四轴飞行器可完成俯仰、横滚、 偏航等运动。
[0004]为实现上述技术目的，所采用的技术方案是:基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，包括电源模块、电子调速器模块、姿态检测模块、姿态传感器和STM32单片机，电源模块分别向电子调速器模块、姿态检测模块和STM32单片机供电，姿态检测模块通过一个IIC接口与STM32单片机连接，其另一个IIC接口与姿态传感器连接，STM32单片机的P丽输出端与电子调速器模块连接，电子调速器模块输出三相交流电并与航拍四轴飞行器电机连接。
[0005]本实用新型所述的STM32单片机为STM32F103单片机。
[0006]本实用新型所述的姿态检测模块为MPU6050模块。
[0007]本实用新型所述的姿态传感器为磁力传感器。
[0008]本实用新型所述的STM32单片机上还连接有无线通信模块。
[0009]本实用新型所述的STM32单片机上还连接有无线接收机模块。
[0010]本实用新型所述的无线通信模块由nrf24101无线通信模块和2.4G无线接收机模块组成。
[0011]本实用新型所述的STM32单片机上还连接有摄像头模块。
[0012]本实用新型所述的摄像头模块为0V7670摄像头模块。
[0013]本实用新型有益效果是:本实用新型完成四轴飞行器的控制系统及航拍系统，使四轴飞行器能自动保持平衡，能实时拍摄并保存图像数据，完善了四轴飞行器的设计，使四轴飞行器的发展更进一步。【附图说明】
[0014]图1为本实用新型系统总体框图；
[0015]图2为本实用新型STM32F103单片机原理图；
[0016]图3为本实用新型电压转换图；[〇〇17]图4为本实用新型的姿态传感器原理图；[〇〇18]图5为本实用新型的电子调速器模块原理图；[〇〇19]图6为本实用新型的无线通信模块原理图；[〇〇2〇]图7为本实用新型的无线接收机模块原理图；[0021 ]图8为本实用新型的摄像头模块原理图；
[0022]图9为本实用新型的主程序流程图；
[0023]图10为本实用新型姿态检测控制流程图。【具体实施方式】
[0024]本实用新型以stm32单片机为核心，配备有姿态传感器模块。姿态传感器模块 mpu6050对四轴飞行器的三轴角速度、三轴加速度进行检测，并把数据传输给DMP，DMP对数据进行处理，得到三个轴的角度信息，即四轴飞行器的俯仰角，横滚角，偏航角，也统称为姿态角。stm32单片机对得到的姿态角与姿态角的期望值做差进行PID计算，得到电机的控制量，进而使电机达到合适的转速，四轴飞行器即会保持对应的姿态，当姿态角的期望值为零时，四轴飞行器保持水平，当其期望值不为零时，四轴飞行器会达到对应姿态。改变欧姿态角的期望值，四轴飞行器可完成俯仰、横滚、偏航等运动。[〇〇25]本次设计基于STM32F103单片机，其属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体(ST)公司出品，其内核是Cortex-M3。本实用新型主要模块还包括姿态传感器模块、姿态检测模块、电源模块、电子调速器模块、无线通信模块、无线接收器模块。系统总体框图如图1所示:[〇〇26]STM32F103拥有可达128KB的嵌入式闪存、20kB的SRAM和十分丰富的外设:两个lys的12位ADC，一个全速USB(OTG)接口，一个CAN接口，三个4 M/S的UART，两个18 M/S的SPI， 两个IIC等。内部还集成了复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等，大大方便了用户的开发。图2是STM32F103单片机的原理图:[〇〇27]电源模块是四轴飞行器的能量来源，主电源由11.1V 2200mah的可充电电池提供。
[0028]本设计包含多种模块，各个模块所需的供电电压不同，因此电源模块需要输出多种电压。STM32F103单片机需要3.3V供电，四轴飞行器电机驱动模块需要11.1V供电， mpu6050模块和无线接收器模块需要5V供电。根据所需要求，本设计进行了相应的电源模块设计。如图3所示。[〇〇29]我们采用姿态检测模块(MPU6050模块)获取四轴飞行器的姿态，达到获取并控制四轴飞行器姿态的目的。MPU6050模块内部整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，并且含有一个第二IIC接口，可用于连接外部磁力传感器(姿态传感器)，并利用自带的数字运动处理器(DMP)硬件加速引擎，通过主IIC接口，向应用端输出完整的9轴融合演算数据。STM32单片机可以非常方便的实现姿态解算，降低芯片资源的负荷，同时大大降低开发难度。MPU6050 与s tm3 2单片机的连接如图4所示。
[0030] 采用电子调速器模块，达到四轴飞行器的电机驱动目的。电子调速器模块的原理是根据单片机的脉宽调试信号PWM的输出，调制出对应大小的三相交流电，将此三相电加载到电机上，PWM信号的占空比变化，电子调速器模块的输出电压也变化，从而达到控制电机转速的目的。电子调速器与stm32单片机的连接如图5所示。[〇〇31]无线通信模块能够实现四轴飞行器的远程通信与远程控制，使四轴飞行器可以在遥控状态下代替人类完成一些危险项目。为了实现四轴飞行器的控制以及四轴飞行器的远程通信，本次设计采用nrf24101无线通信模块和2.4G无线接收机模块。其中nrf24101模块与stm32单片机通过SPI接口相连接，通过nrf24101模块即可实现四轴飞行器的无线通信功能。2.4G无线接收机模块可接收发射机信号，并传输给stm32单片机，实现四轴飞行器的无线控制。nrf24101模块和无线接收机模块原理图如图6、图7所示:
[0032]摄像头模块可以实现四轴飞行器的拍摄功能，使四轴飞行器在飞行的途中完成拍摄。本次设计采用0V7670摄像头模块如图8所示。
[0033]四轴飞行器软件系统编程使用C语言，软件系统总流程图如图所示，包括各模块初始化、中断初始化、姿态检测、PID计算、无线数据接收和发送、拍摄图像数据存储等几个模块。主程序要完成的功能主要是检测四轴飞行器姿态、PID计算、控制电机等功能。主程序流程图如图9所不。
[0034]nrf24101模块带有SPI接口，stm32单片机通过SPI接口对nrf24101中的寄存器进行相关配置，就可以达到无线通信的目的。[〇〇35]2.4G无线接收机模块与stm32单片机的具有输入捕获功能的引脚相连，2.4G无线接收机模块将受到的无线信号，解析成六路PWM波信号，stm32单片机利用输入捕获模式得到这些PWM波的占空比，并由PWM波占空比的大小计算得到欧拉角期望值的大小，从而，无线发送器可改变四轴飞行器的欧拉角的期望值，即可改变四轴飞行器的姿态，达到控制四轴飞行器运动的目的。[〇〇36]姿态传感器模块可测量出四轴飞行器的三轴角速度信息和姿态角信息，通过IIC 接口将此数据传输给stm32单片机。stm32单片机对得到的三轴角速度信息和姿态角信息进行PID计算，得到电机的控制量使电机保持合适的转速。[〇〇37] PID控制器属于线性控制器的一种，它利用给定值与实际输出值的不同构成控制偏差。然后把偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，来控制被控对象，因此称PID控制器。本系统采用串级PID方案。将实际角度值与角度期望值做差并进行 PID计算，得到角速度的期望值，将角速度的期望值与实际值做差，并进行PID计算，得到电机的控制量，使电机达到合适的转速，即完成四轴飞行器姿态的闭环控制。两个PID控制器共有六个参数需要确定，不断地试验观察每组参数对应的四轴飞行器的自动控制效果，以确定最合适的参数。采用串级PID控制的好处是可以达到比PID控制更佳的控制效果，使四轴飞行器的控制更加灵敏，飞行更加稳定，但是参数需要更多的时间调试。[〇〇38]摄像头模块采用0V7670模块，该模块自带FIF0芯片，在使用摄像头模块时，可将摄像头拍摄到的图像信息先存储到FIFO芯片中，然后再用stm32单片机读取FIFO芯片，这样可降低单片机的资源的消耗，并且完成四轴飞行器的拍摄功能。
【主权项】
1.基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:包括电源模块、电子调速器模 块、姿态检测模块、姿态传感器和STM32单片机，电源模块分别向电子调速器模块、姿态检测 模块和STM32单片机供电，姿态检测模块通过一个IIC接口与STM32单片机连接，其另一个 IIC接口与姿态传感器连接，STM32单片机的PWM输出端与电子调速器模块连接，电子调速器 模块输出三相交流电并与航拍四轴飞行器电机连接。2.如权利要求1所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的 STM32单片机为STM32F103单片机。3.如权利要求1所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的姿 态检测模块为MPU6050模块。4.如权利要求1所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的姿 态传感器为磁力传感器。5.如权利要求1所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的 STM32单片机上还连接有无线通信模块。6.如权利要求1所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的 STM32单片机上还连接有无线接收机模块。7.如权利要求5所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的无 线通信模块由nrf24101无线通信模块和2.4G无线接收机模块组成。8.如权利要求1所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的 STM32单片机上还连接有摄像头模块。9.如权利要求8所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的摄 像头模块为0V7670摄像头模块。
【文档编号】G05D1/08GK205721378SQ201620326022
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】郑国强, 李阳, 张弓, 王玉婷, 薛晓冬, 张亮亮, 袁德颖
【申请人】河南科技大学
【专利摘要】基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，包括电源模块、电子调速器模块、姿态检测模块、姿态传感器和STM32单片机，以stm32单片机为核心，配备有姿态传感器模块，stm32单片机得到电机的控制量，进而使电机达到合适的转速，四轴飞行器即会保持对应的姿态，四轴飞行器可完成俯仰、横滚、偏航等运动。
【专利说明】
基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统
技术领域
[〇〇〇1]本实用新型涉及一种控制系统，具体说的是基于STM32单片机的航拍四轴飞行器控制系统。【背景技术】
[0002]随着科技的快速发展，四轴飞行器的研究日益深入，四轴飞行器越来越受到人们的关注，其军用，民用，商用价值都得到了提升。目前，四轴飞行器具有广泛的应用前景。在救险、城市交通、环境监控以及工业安全巡检等领域都有大量的应用之处。四轴飞行器在检测生化武器以及核辐射危险区域等任务中也能发挥重要作用。【实用新型内容】
[0003]为解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，以stm32单片机为核心，配备有姿态传感器模块，stm32单片机得到电机的控制量，进而使电机达到合适的转速，四轴飞行器即会保持对应的姿态，四轴飞行器可完成俯仰、横滚、 偏航等运动。
[0004]为实现上述技术目的，所采用的技术方案是:基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，包括电源模块、电子调速器模块、姿态检测模块、姿态传感器和STM32单片机，电源模块分别向电子调速器模块、姿态检测模块和STM32单片机供电，姿态检测模块通过一个IIC接口与STM32单片机连接，其另一个IIC接口与姿态传感器连接，STM32单片机的P丽输出端与电子调速器模块连接，电子调速器模块输出三相交流电并与航拍四轴飞行器电机连接。
[0005]本实用新型所述的STM32单片机为STM32F103单片机。
[0006]本实用新型所述的姿态检测模块为MPU6050模块。
[0007]本实用新型所述的姿态传感器为磁力传感器。
[0008]本实用新型所述的STM32单片机上还连接有无线通信模块。
[0009]本实用新型所述的STM32单片机上还连接有无线接收机模块。
[0010]本实用新型所述的无线通信模块由nrf24101无线通信模块和2.4G无线接收机模块组成。
[0011]本实用新型所述的STM32单片机上还连接有摄像头模块。
[0012]本实用新型所述的摄像头模块为0V7670摄像头模块。
[0013]本实用新型有益效果是:本实用新型完成四轴飞行器的控制系统及航拍系统，使四轴飞行器能自动保持平衡，能实时拍摄并保存图像数据，完善了四轴飞行器的设计，使四轴飞行器的发展更进一步。【附图说明】
[0014]图1为本实用新型系统总体框图；
[0015]图2为本实用新型STM32F103单片机原理图；
[0016]图3为本实用新型电压转换图；[〇〇17]图4为本实用新型的姿态传感器原理图；[〇〇18]图5为本实用新型的电子调速器模块原理图；[〇〇19]图6为本实用新型的无线通信模块原理图；[〇〇2〇]图7为本实用新型的无线接收机模块原理图；[0021 ]图8为本实用新型的摄像头模块原理图；
[0022]图9为本实用新型的主程序流程图；
[0023]图10为本实用新型姿态检测控制流程图。【具体实施方式】
[0024]本实用新型以stm32单片机为核心，配备有姿态传感器模块。姿态传感器模块 mpu6050对四轴飞行器的三轴角速度、三轴加速度进行检测，并把数据传输给DMP，DMP对数据进行处理，得到三个轴的角度信息，即四轴飞行器的俯仰角，横滚角，偏航角，也统称为姿态角。stm32单片机对得到的姿态角与姿态角的期望值做差进行PID计算，得到电机的控制量，进而使电机达到合适的转速，四轴飞行器即会保持对应的姿态，当姿态角的期望值为零时，四轴飞行器保持水平，当其期望值不为零时，四轴飞行器会达到对应姿态。改变欧姿态角的期望值，四轴飞行器可完成俯仰、横滚、偏航等运动。[〇〇25]本次设计基于STM32F103单片机，其属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体(ST)公司出品，其内核是Cortex-M3。本实用新型主要模块还包括姿态传感器模块、姿态检测模块、电源模块、电子调速器模块、无线通信模块、无线接收器模块。系统总体框图如图1所示:[〇〇26]STM32F103拥有可达128KB的嵌入式闪存、20kB的SRAM和十分丰富的外设:两个lys的12位ADC，一个全速USB(OTG)接口，一个CAN接口，三个4 M/S的UART，两个18 M/S的SPI， 两个IIC等。内部还集成了复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等，大大方便了用户的开发。图2是STM32F103单片机的原理图:[〇〇27]电源模块是四轴飞行器的能量来源，主电源由11.1V 2200mah的可充电电池提供。
[0028]本设计包含多种模块，各个模块所需的供电电压不同，因此电源模块需要输出多种电压。STM32F103单片机需要3.3V供电，四轴飞行器电机驱动模块需要11.1V供电， mpu6050模块和无线接收器模块需要5V供电。根据所需要求，本设计进行了相应的电源模块设计。如图3所示。[〇〇29]我们采用姿态检测模块(MPU6050模块)获取四轴飞行器的姿态，达到获取并控制四轴飞行器姿态的目的。MPU6050模块内部整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，并且含有一个第二IIC接口，可用于连接外部磁力传感器(姿态传感器)，并利用自带的数字运动处理器(DMP)硬件加速引擎，通过主IIC接口，向应用端输出完整的9轴融合演算数据。STM32单片机可以非常方便的实现姿态解算，降低芯片资源的负荷，同时大大降低开发难度。MPU6050 与s tm3 2单片机的连接如图4所示。
[0030] 采用电子调速器模块，达到四轴飞行器的电机驱动目的。电子调速器模块的原理是根据单片机的脉宽调试信号PWM的输出，调制出对应大小的三相交流电，将此三相电加载到电机上，PWM信号的占空比变化，电子调速器模块的输出电压也变化，从而达到控制电机转速的目的。电子调速器与stm32单片机的连接如图5所示。[〇〇31]无线通信模块能够实现四轴飞行器的远程通信与远程控制，使四轴飞行器可以在遥控状态下代替人类完成一些危险项目。为了实现四轴飞行器的控制以及四轴飞行器的远程通信，本次设计采用nrf24101无线通信模块和2.4G无线接收机模块。其中nrf24101模块与stm32单片机通过SPI接口相连接，通过nrf24101模块即可实现四轴飞行器的无线通信功能。2.4G无线接收机模块可接收发射机信号，并传输给stm32单片机，实现四轴飞行器的无线控制。nrf24101模块和无线接收机模块原理图如图6、图7所示:
[0032]摄像头模块可以实现四轴飞行器的拍摄功能，使四轴飞行器在飞行的途中完成拍摄。本次设计采用0V7670摄像头模块如图8所示。
[0033]四轴飞行器软件系统编程使用C语言，软件系统总流程图如图所示，包括各模块初始化、中断初始化、姿态检测、PID计算、无线数据接收和发送、拍摄图像数据存储等几个模块。主程序要完成的功能主要是检测四轴飞行器姿态、PID计算、控制电机等功能。主程序流程图如图9所不。
[0034]nrf24101模块带有SPI接口，stm32单片机通过SPI接口对nrf24101中的寄存器进行相关配置，就可以达到无线通信的目的。[〇〇35]2.4G无线接收机模块与stm32单片机的具有输入捕获功能的引脚相连，2.4G无线接收机模块将受到的无线信号，解析成六路PWM波信号，stm32单片机利用输入捕获模式得到这些PWM波的占空比，并由PWM波占空比的大小计算得到欧拉角期望值的大小，从而，无线发送器可改变四轴飞行器的欧拉角的期望值，即可改变四轴飞行器的姿态，达到控制四轴飞行器运动的目的。[〇〇36]姿态传感器模块可测量出四轴飞行器的三轴角速度信息和姿态角信息，通过IIC 接口将此数据传输给stm32单片机。stm32单片机对得到的三轴角速度信息和姿态角信息进行PID计算，得到电机的控制量使电机保持合适的转速。[〇〇37] PID控制器属于线性控制器的一种，它利用给定值与实际输出值的不同构成控制偏差。然后把偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，来控制被控对象，因此称PID控制器。本系统采用串级PID方案。将实际角度值与角度期望值做差并进行 PID计算，得到角速度的期望值，将角速度的期望值与实际值做差，并进行PID计算，得到电机的控制量，使电机达到合适的转速，即完成四轴飞行器姿态的闭环控制。两个PID控制器共有六个参数需要确定，不断地试验观察每组参数对应的四轴飞行器的自动控制效果，以确定最合适的参数。采用串级PID控制的好处是可以达到比PID控制更佳的控制效果，使四轴飞行器的控制更加灵敏，飞行更加稳定，但是参数需要更多的时间调试。[〇〇38]摄像头模块采用0V7670模块，该模块自带FIF0芯片，在使用摄像头模块时，可将摄像头拍摄到的图像信息先存储到FIFO芯片中，然后再用stm32单片机读取FIFO芯片，这样可降低单片机的资源的消耗，并且完成四轴飞行器的拍摄功能。
【主权项】
1.基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:包括电源模块、电子调速器模 块、姿态检测模块、姿态传感器和STM32单片机，电源模块分别向电子调速器模块、姿态检测 模块和STM32单片机供电，姿态检测模块通过一个IIC接口与STM32单片机连接，其另一个 IIC接口与姿态传感器连接，STM32单片机的PWM输出端与电子调速器模块连接，电子调速器 模块输出三相交流电并与航拍四轴飞行器电机连接。2.如权利要求1所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的 STM32单片机为STM32F103单片机。3.如权利要求1所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的姿 态检测模块为MPU6050模块。4.如权利要求1所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的姿 态传感器为磁力传感器。5.如权利要求1所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的 STM32单片机上还连接有无线通信模块。6.如权利要求1所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的 STM32单片机上还连接有无线接收机模块。7.如权利要求5所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的无 线通信模块由nrf24101无线通信模块和2.4G无线接收机模块组成。8.如权利要求1所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的 STM32单片机上还连接有摄像头模块。9.如权利要求8所述的基于STM32的航拍四轴飞行器控制系统，其特征在于:所述的摄 像头模块为0V7670摄像头模块。
【文档编号】G05D1/08GK205721378SQ201620326022
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】郑国强, 李阳, 张弓, 王玉婷, 薛晓冬, 张亮亮, 袁德颖
【申请人】河南科技大学
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