有手就行，你也可以自己做無人機(jī)STM32F103四軸飛行機(jī)（開源）

今天給大家說說一款完全開源的小四軸。

這款四軸面向的人群是電子相關(guān)專業(yè)（包括自動(dòng)化、電氣自動(dòng)化、電子信息工程、計(jì)算機(jī)、測控等專業(yè)）的大學(xué)生，通過一個(gè)完整的四軸項(xiàng)目來學(xué)習(xí)貼片元器件的焊接、PCB設(shè)計(jì)軟件AD的使用、電路基本知識(shí)、旋翼型無人機(jī)的基本原理、STM32單片機(jī)編程與基本使用、飛控算法的實(shí)現(xiàn)等。

///插播一條：我自己在今年年初錄制了一套還比較系統(tǒng)的入門單片機(jī)教程，想要的同學(xué)找我拿就行了免費(fèi)的，私信我就可以哦~點(diǎn)我頭像黑色字體加我地球呺也能領(lǐng)取哦。最近比較閑，帶做畢設(shè)，帶學(xué)生參加省級(jí)或以上比賽///

正文開始：

據(jù)了解，目前大多數(shù)高校的電子專業(yè)的課程實(shí)訓(xùn)依然是焊接收音機(jī)等，單片機(jī)課程教的也是單片機(jī)，這已經(jīng)不能滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)了，學(xué)生畢業(yè)之后進(jìn)入企業(yè)，大多接觸的是貼片元器件（功率器件除外），做產(chǎn)品的時(shí)候，硬件工程師必須要具備一定的調(diào)試能力，這就對(duì)焊接貼片元件的能力提出了要求，所以我們?cè)O(shè)計(jì)了這款四軸飛行器，使用0603、0805這樣貼片元件，是練習(xí)焊接的好幫手，而且好處在于，焊接練習(xí)完了，還可以繼續(xù)學(xué)習(xí)STM32,四軸原理，直到把這個(gè)四軸飛行器飛起來，在這個(gè)過程中，我們也有交流群和學(xué)習(xí)資料，供大家學(xué)習(xí)使用。

下面是RoboFly四軸飛行器的整體框圖、原理圖、pcb、實(shí)物圖源代碼的截圖，先一睹為快，后面詳細(xì)介紹。

圖1：RoboFly四軸飛行器整體框圖

圖2：RoboFly四軸飛行器原理圖

圖3：RoboFly四軸飛行器PCB圖

圖4：RoboFly四軸飛行器PCB 3D俯圖

圖5：RoboFly四軸飛行器PCB 3D側(cè)視圖

圖6：RoboFly四軸飛行器實(shí)物圖

圖7：RoboFly四軸飛行器源代碼截圖

制作并開源這套小四軸的初衷有如下幾點(diǎn)；

1、初學(xué)者需要一款價(jià)格低廉、軟硬件資料完備、有技術(shù)支持的四軸學(xué)習(xí)平臺(tái)；

2、以散件形式發(fā)售，電路板布局、元器件封裝選型要方便焊接組裝；

3、四軸所需元器件采購方便、靠譜，最好能提供一站式采購，避免過多郵費(fèi)、采購周期長、采購到不合格元器件導(dǎo)致學(xué)習(xí)難以進(jìn)展。

4、源代碼要極其精簡、方便入門者能夠方便的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)自己的代碼；

5、保留一定擴(kuò)展接口、方便用戶自己進(jìn)行擴(kuò)展如定高、航跡、巡線等飛行功能。在學(xué)習(xí)完四軸飛行器之后，這個(gè)開源的四軸板子仍然可以作為一個(gè)STM32開發(fā)學(xué)習(xí)板使用；

RoboFly四軸的基本配置如下：

主控芯片：STM32F103C8T6

姿態(tài)檢測：MPU6050

氣壓計(jì)：FBM320

無線芯片：SI24R1

供電方案：HT7750SA升壓+XC6206穩(wěn)壓

燈光指示：1個(gè)電源指示LED、1個(gè)用戶編程LED、4個(gè)單總線全彩RGB燈

電池：600mAh 20C 1S鋰離子電池

電機(jī)：720空心杯

槳葉：55mm槳葉

槳葉保護(hù)罩：相鄰軸距65mm

機(jī)架：PCB一體化機(jī)架

續(xù)航時(shí)間：10分鐘

遙控距離：空曠50m

RoboFly四軸原理圖各模塊簡單說明：

STM32F103C8T6是ST在2007年發(fā)布的一款MCU，截止目前ST已經(jīng)發(fā)布了速度高達(dá)400MHz的STM32H7 (這時(shí)候一定有人會(huì)說600MHz的事，我知道，不用提醒)，我自己也是用STM32F1,STM32F4,STN32F7都做過各種各樣的四軸，但是這個(gè)開源的四軸我還是選擇了STM32F103C8T6，主要從三點(diǎn)考慮，一是封裝比較大，方便初學(xué)者焊接，二是價(jià)格低廉，學(xué)習(xí)成本比較低，三是網(wǎng)上有大量的資料供初學(xué)者學(xué)習(xí)使用。

姿態(tài)傳感器選擇MPU6050，主要考慮的也是封裝比較大，可以直接使用烙鐵焊接，而且價(jià)格比較低，資料也很豐富。而且還自帶DMP庫，可以完成姿態(tài)結(jié)算后直接把姿態(tài)角輸出給主控芯片。2016年我們的第一款四軸就是采用DMP庫輸出姿態(tài)角的。

氣壓計(jì)使用的是FBM320,對(duì)于這款氣壓計(jì)，個(gè)人認(rèn)為性能一般。但是優(yōu)點(diǎn)就是這個(gè)封裝和BMP280、SPL06的引腳都是兼容的，方便更換。但是小四軸上放氣壓計(jì)，有一個(gè)比較麻煩的地方就是要想辦法排除槳葉的風(fēng)對(duì)它的干擾。可以使用海綿等其他東西進(jìn)行隔離。

無線芯片用的是SI24R1，國產(chǎn)的，之所以用這個(gè)而不用NRF2401，是因?yàn)檫@個(gè)經(jīng)過我測試，性能也是可以的，引腳完全兼容NRF2401，無線發(fā)射可以做到7dB，在發(fā)射和接收端都采用陶瓷天線的前提下，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歐姆電阻對(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。

對(duì)于供電方案中的先升壓再降壓的方案，這是我做第一款四軸飛行器的時(shí)候發(fā)現(xiàn)的，這種1S的鋰離子電池，在四個(gè)空心杯進(jìn)行供電的時(shí)候，如果四個(gè)空心杯電機(jī)不帶槳葉，也就是說沒有負(fù)載，那啟動(dòng)是沒有問題的。但是如果四個(gè)空心杯都帶上負(fù)載，瞬間提速到滿速，就會(huì)瞬間把電池輸出電壓拉低到3V以下，經(jīng)過我測試甚至低到了2.8V，這時(shí)候如果不升壓，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。另一個(gè)方案就是在電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候采用緩慢啟動(dòng)的方式，這樣電池的電壓就不會(huì)瞬間被拉低，但是這樣的一個(gè)不足之處就是無法讓這個(gè)小四軸非常暴力，飛起來不夠爽快。

四個(gè)機(jī)臂上采用的RGBLED是串行單總線全彩燈，也就意味著只需要占用單片機(jī)的一個(gè)IO端口，就可以控制這四個(gè)燈發(fā)出各種各樣的顏色。這個(gè)燈類似與WS2811,也是通過零一碼來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，進(jìn)而控制燈的顏色的。對(duì)于初學(xué)者而言，時(shí)序往往難以理解，而這個(gè)燈可以作為學(xué)習(xí)時(shí)序最簡單的一個(gè)例程，雖然簡單，但是卻非常有趣。

因?yàn)樾∷妮S的尺寸、重量等限制，這版四軸飛行器的電池最好不要超過600mAh，否則電池自身的重量就會(huì)成為最大的包袱。而太小的電池則不能提供較長時(shí)間的續(xù)航?？傊医?jīng)過測試認(rèn)為600 mAh容量應(yīng)該是一個(gè)拐點(diǎn)。電池最好帶保護(hù)板、有一定的安全性能。否則脹飽、失效事小，嚴(yán)重點(diǎn)在炸機(jī)的時(shí)候可能會(huì)爆炸。

對(duì)于這個(gè)四軸最關(guān)鍵的一個(gè)組建—空心杯，說出來都是淚啊，做四軸兩年，有一年的時(shí)間都在尋找合格的空心杯電機(jī)。2017年有一款四軸飛行器因?yàn)椴少彽碾姍C(jī)側(cè)向震動(dòng)太大，導(dǎo)致槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)之后產(chǎn)生很大的側(cè)向震動(dòng)、嚴(yán)重干擾了加速度計(jì)，使角度偏差很大，基本不能垂直飛行。一開始把問題鎖定在MOS管上、陀螺儀上、原理圖與PCB設(shè)計(jì)上都未能解決問題，后來對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換后發(fā)現(xiàn)了干擾的頻率點(diǎn)，這才確定是電機(jī)的側(cè)向震動(dòng)引起的。還有一種情況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。但是市面上這個(gè)管子假貨也比較多。很多人在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路上加不加電容、加不加二極管有很大的爭議，我經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，加上電容之后效果很好，而加上二極管的效果則一般。也可能是測試方式不夠嚴(yán)謹(jǐn)，回頭可以一起討論這個(gè)問題。

槳葉選型一定要注意選擇平衡性好的槳葉、做工有瑕疵的可能會(huì)影響平衡性，在飛行的時(shí)候，如果不平衡就會(huì)導(dǎo)致側(cè)向震動(dòng)。

初學(xué)者在調(diào)試四軸的時(shí)候，摔下來、失控是很常見的，所以加上槳葉保護(hù)罩之后，可以很大程度上減小槳葉、電機(jī)報(bào)廢的概率。

如果采用飛控板和機(jī)架隔離的方式，就能從一定程度上降低震動(dòng)的影響，但是這樣或許會(huì)增加重量及成本，所以我選擇了PCB機(jī)架，這也是初學(xué)者最容易實(shí)現(xiàn)的一個(gè)方案，但不是唯一的方案。

四軸源碼采用Keil MDK V5.20

STM32庫使用的是標(biāo)準(zhǔn)庫

四軸源代碼工程創(chuàng)建方法可以參考我們最小系統(tǒng)板的課程，課程視頻可以在公眾號(hào)觀看，下面的百度云鏈接中也提供了工程創(chuàng)建的PDF文件。

如果自己購買配件，電機(jī)，電機(jī)包護(hù)墊，電池，電阻電容，芯片，氣壓計(jì)，槳葉，pcb打板，手柄搖桿，下載器端子，這些得分別在10個(gè)店鋪購買，這樣，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問題，1自己選擇會(huì)找到很多假貨，次品，尤其電機(jī)芯片等，會(huì)導(dǎo)致飛不起來，不知道問題是硬件還是算法。2在不同店鋪購買郵費(fèi)下來總共也得不少，另外為了使郵費(fèi)比例小，不得不多買配件，導(dǎo)致花費(fèi)很多錢。