【应用】R7F0C014单片机助力四轴飞行器控制飞行稳定的应用方案

本文介绍了R7F0C014 单片机在四轴飞行器控制方面的应用。

四轴飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。结构上，本次应用中使用四轴飞行器的飞行模式是X 模式，如图1所示，四轴飞行器的四个电机一对正转，一对反转使得垂直方向旋转的反扭矩平衡, 从而保证了飞行的稳定。四轴飞行器可以用作航拍、玩具等，在我们生活中已经越来越常见。

图1  四轴飞行器飞行模式（X 模式）

四轴飞行器的基本飞行状态可以分为：垂直飞行、水平飞行（俯仰和翻滚）、偏航飞行，分别如2所示：

       1）垂直飞行：如下图（a）所示，同时增加或减少四个电机的转速，四轴飞行器则会垂直上升或下降；

       2）水平飞行：如下图（b）所示，增加两个电机的转速，如电机M1 和M4，同时减少另两个电机M2和M3的转速，则四轴飞行器将向右飞行，同理可得向前、向后、向左方向的飞行方式；

       3）偏航飞行：如下图（c）所示，增加两个电机的转速，如电机M1 和M3，同时减少另两个电机M2和M4的转速，则四轴飞行器将顺时针偏转，同理可得逆时针偏转的飞行方式。

图2  四轴飞行器的飞行状态

PID 平衡控制

对于四轴飞行器平衡控制算法中，电机的转速并不是单独由油门来决定，而是以油门为基准整合上空间三轴俯仰（Pitch）、翻滚（Roll）和偏航（Yaw）的控制量来决定，如下公式所示。例如，四轴飞行器机头向下倾斜时（对应俯仰），为了达到平衡，电机3 和电机4 增大转速，电机1 和电机2 减小转速，此时俯仰控制量应该向负增大（控制量的正负由姿态芯片MPU6050 摆放决定）。

上述的三轴控制量则由本系统中使用的增量式PD 控制得到（PID 控制算法的一种）。以俯仰控制量为例，MPU6050 可以得到空间三轴的旋转角速率，正好是角度的微分，所以可以得到以下计算公式:

           ·   俯仰（Pitch）控制量 = P * 对应期望角度与实际角度的偏差 + D * 对应轴的角速率值

           ·   翻滚（Roll）控制量 = P * 对应期望角度与实际角度的偏差 + D * 对应轴的角速率值

           ·   偏航（Yaw）控制量 = D * 对应轴的角速率值

由于实际偏航角（Yaw）无法由MPU6050 测得，需要用电子罗盘，但是电子罗盘在四个电机的电磁作用下，精度受影响较大，所以上式中偏航（Yaw）控制量去除比例项，仅由微分项得到，MPU6050 的姿态刷新频率约为10ms 一次。

定高控制

高度的采集通过超声波模块HC-SR04 实现，由于测量距离的限制（约2cm-120cm），本系统仅适用于室内低空飞行，默认高度设定为60cm。定高部分算法，根据超声波检测的距离进行PID 控制，定高控制的输出量与初始油门（由机身本身的重力和当前电池电量决定）叠加作为当前油门，从而不断调节四轴飞行器油门值来实现垂直方向上的定高，而水平方向由于缺少GPS 相关模块，未能得到进行水平方向的控制量，所以本系统只能实现简单的悬停，超声波模块HC-SR04 置于四轴飞行器底部，高度刷新频率约为50ms 一次。

四轴飞行器演示板

本文使用的演示板如图3所示，瑞萨电子单片机R7F0C014通过I/O 端口模拟IIC 控制姿态芯片MPU6050，然后使用MPU6050 的硬件解算（内置的DMP 模块）直接获取和姿态相关的四元数等数据，再将四元数转化为欧拉角，最后以当前姿态角和捕捉的遥控数据为控制量，通过PID 控制四个电机以达到控制四轴飞行器姿态的目的。通过MPU6050 的硬件解算，可以避免复杂的姿态融合算法，从而减轻单片机的负担。

图3  四轴飞行器演示板

系统整机结构图如图4所示。为了硬件的安装和固定，演示板背面并没有贴装任何器件，而是直接固定在机架上。机架的底部用于放置锂电池，并固定超声波模块。

图4  四轴飞行器整机正面和背面

操作说明

       1）启动：依次打开四轴飞行器和遥控器的电源开关，四轴飞行器的四个机翼处LED 将会闪烁两秒，然后变为常亮；

       2）解锁：将遥控器左手边的油门拉至最低，油门摇杆上方的蓝色LED 点亮，解锁完成（注意：解锁完成前不要操作方向摇杆），此时，右手方向摇杆上方的蓝色LED 不断闪烁，表明和四轴飞行器通信正常，便可以开始遥控飞行器；

       3）定高飞行：此功能仅限室内低空飞行（1.5 米以内）。解锁完毕后，拉高油门，待四轴飞行器达到一定高度后，按下遥控器最右下方按键，进入定高飞行，四轴飞行器会定高在默认设定的0.6 米处飞行。再次按下此按键，四轴飞行器将自动降落，落地后需将油门拉至最低。

注意：因四轴飞行器飞行过程中，电机的电流消耗较大，可以达到数安培，飞行时间只能持续几分钟，当机翼处LED 闪烁时，说明电池电量已过低，为了安全起见，请充电后再使用。

四轴飞行器演示板

四轴飞行器演示板结构如图5所示：

图5  四轴飞行器演示板结构

硬件结构框图

四轴飞行器演示板的硬件结构框图如图6所示：

图6  四轴飞行器演示板的硬件结构框图

主控MCU

四轴飞行器演示板使用R7F0C014 作为主控MCU。R7F0C014 的Flash ROM 大小为128KB，RAM 大小为8KB。

电源电路

电源部分使用单块 3.7V 锂电池，经升压芯片 SP6641 将供电电压升到5V，然后经过稳压芯片MIC5205得到稳定的3.3V 供给系统。将电源电压先拉升到5V 再稳压是因为四个电机起转后，持续电流可达到数安培，而拉低电池电压，致使稳压芯片MIC5205 无法正常工作。电源电路如图7所示，其中，R2 和R3 用于A/D 采样，实时检测电池电压。

图7  四轴飞行器电源电路

电机驱动电路

单片机R7F0C014 通过内部定时器RD 模块产生4 路PWM 波形，驱动场效应管SI2302，可以根据占空比的大小，调节电机的转速。其中，电机使用的是四轴飞行器常用的820 有刷空心杯电机（直径8mm，长度20mm）。电机驱动电路如图8所示。

图8  四轴飞行器电机驱动电路

姿态处理电路

四轴飞行器的姿态通过传感器MPU6050 获得。MPU6050 是一款陀螺仪和加速度计合二为一的芯片，其内部含有DMP（数字运动处理器）模块，单片机可以通过IIC 接口直接读出和姿态角相关的四元数等数据，经过转换后就可以直接得到姿态角等数据，从而避免了复杂的姿态融合运算，减少了单片机的负担。姿态处理电路如图9所示，其中高度计MS5611 用于高空定高控制，但未在本次应用中使用，为保留部分。

图9   姿态处理电路

2.4GHz 遥控接收电路

四轴飞行器对2.4GHz 遥控器的接收部分，采用的芯片是NRF24L01。单片机通过I/O 口模拟SPI 接口与其通信，从而完成遥控信号的读取。2.4GHz 遥控接收电路如图 10所示。

图10   2.4GHz 遥控接收电路

原理图

四轴飞行器演示板原理图如图11所示。

图11   四轴飞行器演示板原理图

PCB 图

四轴飞行器演示板PCB 图如图12所示。

图12   四轴飞行器演示板PCB图