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聚豐項(xiàng)目 > 四軸無人機(jī)姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)

四軸無人機(jī)姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，以傳感器為應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）得到了前所未有的發(fā)展， 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)規(guī)模巨大。主流傳感器中，又以位置、流量、氣體、濕度等傳感器備受市場(chǎng)青睞。 本項(xiàng)目是借助 IDT ZMID5201STKIT開發(fā)套件，利用ZMID520xMROT36001 Rotary Application Module模塊，將無人機(jī)飛行過程中的飛行方向偏移角發(fā)送給MCU，經(jīng)過MCU解析后，發(fā)送到NRF2401。通過NRF2401無線數(shù)據(jù)傳輸，最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到手持設(shè)備上，可直觀的觀察到無人機(jī)姿態(tài)偏斜方向。 該項(xiàng)目的無人機(jī)具有一定的使用價(jià)值，可在科教、娛樂等領(lǐng)域應(yīng)用，在工業(yè)、民用安防、智慧城市建設(shè)方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值，市場(chǎng)前景廣闊，在未來商業(yè)應(yīng)用方面潛力巨大。

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劉聽強(qiáng) 硬件工程師

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項(xiàng)目簡介
隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，以傳感器為應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）得到了前所未有的發(fā)展， 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)規(guī)模巨大。主流傳感器中，又以位置、流量、氣體、濕度等傳感器備受市場(chǎng)青睞。 本項(xiàng)目是借助 IDT ZMID5201STKIT開發(fā)套件，利用ZMID520xMROT36001 Rotary Application Module模塊，將無人機(jī)飛行過程中的飛行方向偏移角發(fā)送給MCU，經(jīng)過MCU解析后，發(fā)送到NRF2401。通過NRF2401無線數(shù)據(jù)傳輸，最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到手持設(shè)備上，可直觀的觀察到無人機(jī)姿態(tài)偏斜方向。 該項(xiàng)目的無人機(jī)具有一定的使用價(jià)值，可在科教、娛樂等領(lǐng)域應(yīng)用，在工業(yè)、民用安防、智慧城市建設(shè)方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值，市場(chǎng)前景廣闊，在未來商業(yè)應(yīng)用方面潛力巨大。
硬件說明

1、主控芯片：STM32F103C8T6作為主控MCU，STM32F103C8T6采用

Corex-M3內(nèi)核，工作頻率可達(dá)到72MHz，20KB SRAM，共3個(gè)定時(shí)器和3個(gè)USART。48個(gè)LQFP引腳足夠外圍電路使用。如下圖所示。

image.png

圖1 主控芯片

 

2、電源部分：供電方案采用先升壓再降壓的方案，由于第一次使用1S的鋰離子電池，給四個(gè)空心杯進(jìn)行空載供電的時(shí)候，四軸啟動(dòng)是沒有問題的。但是如果四個(gè)空心杯都帶上負(fù)載，如果瞬間提速到滿速，那么電池輸出電壓拉低到3V以下，如果不采用升壓方案，直接用電池給LDO供電，那LDO就會(huì)失效。所以通過升壓再降壓后給單片機(jī)系統(tǒng)供電是一個(gè)可行的方案，如下圖所示。


image.png

圖2 升壓電路部分

image.png

圖3 降壓電路部分

 

 

3、傳感器部分：MPU6050六軸傳感器芯片通過數(shù)據(jù)濾波處理把三軸陀螺儀數(shù)據(jù)和三軸加速度數(shù)據(jù)以及ZMID520xMROT36001 Rotary Application Module角度偏移數(shù)據(jù)引入MCU進(jìn)行IMU姿態(tài)解算，如下圖所示。

image.png

圖4 陀螺儀

4、四軸空心杯：無人機(jī)能否平穩(wěn)操控，主要在四個(gè)電機(jī)上，空心杯選的好，對(duì)應(yīng)姿態(tài)的穩(wěn)定有較大的幫助。當(dāng)然了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的MOS管上、陀螺儀上、PCB對(duì)四軸最終的效果也起到關(guān)鍵的作用。電機(jī)的頻率，會(huì)才生干擾的頻率點(diǎn)，會(huì)使無人機(jī)振動(dòng)較大不好控制。另外就是同一批次的電機(jī)性能差異很大，導(dǎo)致PID調(diào)節(jié)的輸出差異很大，最終會(huì)影響MOS管的壽命、電機(jī)壽命。空心杯電機(jī)使用SI2302這款MOS管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這是非常常見的一款MOS管，便宜又好用。如下圖所示。

image.png

圖5 空心杯（前）

       5、射頻部分：采用NRF2401，這是一塊常用芯片，性能也是可以的，無線發(fā)射可以做到7dB，加上發(fā)射和接收端都采用陶瓷天線，可以達(dá)到50m的通訊距離。如果加上AP，那達(dá)到100米應(yīng)該沒有問題。通過兩個(gè)低成本的0歐電

阻對(duì)電源進(jìn)行了單點(diǎn)接地，防止電機(jī)回路的電流波動(dòng)串進(jìn)射頻回路對(duì)射頻造成干擾。

image.png

圖7  射頻部分

 

6、燈光模塊：采用3個(gè)SOT23-3封裝的MOS管進(jìn)行開關(guān)控制，與MCU隔離電源。

7、遙控器電路：采用傳統(tǒng)的DBUS遙控器反向電路。


軟件說明

1、無線射頻傳輸部分代碼：

 

/**********************************************************************

配置NRF2401為RX模式，準(zhǔn)備開始接收數(shù)據(jù)

***********************************************************************/

void RX_Mode(void)

{

       CE_LOW;                                                                                     //拉低CE，進(jìn)入待機(jī)模式，準(zhǔn)備開始往NRF2401中的寄存器中寫入數(shù)據(jù)

      

       SPI_Write_Byte(WRITE_REG_CMD + CONFIG, 0x0f);        //配置為接收模式

       SPI_Write_Byte(WRITE_REG_CMD + STATUS, 0x7e);      //寫0111 xxxx 給STATUS，清除所有中斷標(biāo)志，防止一進(jìn)入接收模式就觸發(fā)中斷

      

       CE_HIGH;                                                                                   //拉高CE，準(zhǔn)備接受從外部發(fā)送過來的數(shù)據(jù)

}

 

/**********************************************************************

從NRF2401的RX的FIFO中讀取一組數(shù)據(jù)包

輸入?yún)?shù)rx_buf:FIFO中讀取到的數(shù)據(jù)的保存區(qū)域首地址

***********************************************************************/

void NRF2401_ReceivePacket(u8* rx_buf)

{

       CE_LOW;

       SPI_Read_Buf(RD_RX_PLOAD,rx_buf,RX_PLOAD_WIDTH);      //從RX端的FIFO中讀取數(shù)據(jù)，并存入指定的區(qū)域，注意：讀取完FIFO中的數(shù)據(jù)后，NRF2401會(huì)自動(dòng)清除其中的數(shù)據(jù)

       SPI_Write_Byte(FLUSH_RX,0xff);                       //清除接收FIFO

       CE_HIGH;                                                                                              //重新拉高CE，讓其重新處于接收模式，準(zhǔn)備接收下一個(gè)數(shù)據(jù)

}

 

/**********************************************************************

配置NRF2401為TX模式，并發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包

輸入?yún)?shù)tfbuf:即將要發(fā)送出去的數(shù)據(jù)區(qū)首地址

***********************************************************************/

void NRF2401_SendPacket(u8* tfbuf)

{

       CE_LOW;                                                                                                                //拉低CE，進(jìn)入待機(jī)模式，準(zhǔn)備開始往NRF2401中的寄存器中寫入數(shù)據(jù)

      

//     SPI_Write_Buf(WRITE_REG_CMD + RX_ADDR_P0, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH);    //裝載接收端地址，由于這里只有一個(gè)通道通訊，不用改變接收端的NRF2401的接收通道地址,所以，這句可以注釋掉

       SPI_Write_Buf(WR_TX_PLOAD, tfbuf, TX_PLOAD_WIDTH);                   //將數(shù)據(jù)寫入TX端的FIFO中,寫入的個(gè)數(shù)與TX_PLOAD_WIDTH設(shè)置值相同

      

       SPI_Write_Byte(WRITE_REG_CMD + CONFIG, 0x0e);                            //將NRF2401配置成發(fā)射模式

       SPI_Write_Byte(WRITE_REG_CMD + STATUS, 0x7e);                      //寫0111 xxxx 給STATUS，清除所有中斷標(biāo)志，防止一進(jìn)入發(fā)射模式就觸發(fā)中斷

      

       CE_HIGH;                                                                                           //拉高CE，準(zhǔn)備發(fā)射TX端FIFO中的數(shù)據(jù)

      

       delay_ms(1);                                                                                //CE拉高后，需要延遲至少130us

}


void WaitFlY_Connection(void)

{

       static u8 cnt = 0,preaddr;

       ConnectingDisplay();//斷線連接狀態(tài)顯示

       while(1)

       {

              if(FLY_Connect_OK)

              {

                     cnt = 0;

                     if(preaddr != TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH-1])

                     {

                            PID_WriteFlash(); 

                           

//                          printf("Address save :%d preaddr:%d\r\n",TX_ADDRESS[4],preaddr);

                     }

//                   printf("Fly connect OK!!!\r\n");

                     return;

              }else if(cnt++ < 10)

              {

                     PID_ReadFlash();                    //讀取上一次保存的飛機(jī)的NRF2401地址

                     preaddr = TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH-1];

                     NRF2401_Config();

                     delay_ms(50);

//                   printf("Flash read NRF2401addr:%d\r\n",TX_ADDRESS[4]);

              }

              else

              {

                     TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH-1]++ ;

                     RX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH-1]++ ;

                     if(TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH-1]>AddrMax && RX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH-1]>AddrMax)

                     {

                            TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH-1] = 0x00;

                            RX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH-1] = 0x00;

                     }

                     SPI_Write_Buf(WRITE_REG_CMD + TX_ADDR, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH);       

                     SPI_Write_Buf(WRITE_REG_CMD + RX_ADDR_P0, RX_ADDRESS, RX_ADR_WIDTH);

                     delay_ms(100);

              }

              if(ADC_CALIBRATOR_OK)

              {

                     OLED_ShowString(byte(2),line4,"Calibration",8);

              }

              else

              {

                     OLED_ShowString(byte(2),line4,"Connecting...",8);

              }

       }

}

void ReconnectionFly(void)

{

       if(Reconnection_flag)

       {

              ConnectingDisplay();

              if(FLY_Connect_OK)        //遙控已重新連接

              {

                     Display_init();

                     Reconnection_flag = 0;  //斷線重連標(biāo)志復(fù)位            

                     return;

              }

              NRF2401_Config();

       }

}

 

image.png

圖8 無線射頻傳輸部分代碼

 

2、手持終端顯示部分代碼：

void ButtonCMDDisplay(void)

{

      

       if(GET_FLAG(FLY_ENABLE))

       {

              OLED_ShowString(byte(11),line4,"Nolink",6);

       }else

       {

              OLED_ShowString(byte(11),line4,"Link  ",6);

       }

       SenserOffsetDisplay();

       WiFiOnOffDisplay();

       ModeSelectDisplay();

}

 

void ConnectingDisplay(void)

{

       OLED_Clear();

       OLED_ShowCHinese(1,line1,WiFi,0); //信號(hào)強(qiáng)度

       OLED_ShowString(byte(3)+4,line1," IDT_Fly",8); //大賽名

       OLED_ShowCHinese7x7(121,line1,BATT,0); //電池圖標(biāo)

       OLED_ShowString(111,line1,"%",6); //

       OLED_ShowNum(108,line2,0,2,6); //電池電壓比例

      } 

}

image.png


 

圖9 無線射頻傳輸部分代碼


演示效果

四軸無人機(jī)下方為自制的指南針，用來定位起飛前的方向。南針放在四軸無人機(jī)下方，為了防止電機(jī)風(fēng)力而引起的擺動(dòng)。

無人機(jī)起飛、平衡性并不理想，主要還是在數(shù)據(jù)傳輸部分，不能及時(shí)將傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行其實(shí)的處理去調(diào)整無人機(jī)的姿態(tài)。但是是MPU6050還是ZMID520xMROT傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，都能顯示在RGB LED屏上。


 

image.png


                                                                                      圖9 正面圖

 

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                                                                                     圖10 背面圖

 

image.png


                                                                                    圖11 連接圖


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