基于STM32的四旋翼无人机项目（一）：基础知识篇

前言：本篇博客为飞控专栏的第一篇系统性概述文章，将对飞控系统进行详细讲解介绍。考虑到飞控项目具有一定工程复杂度，所以作者将整个项目进行分章节教学与讲解，希望可以给读者朋友带来更好地学习体验。项目将以 C-Quad 四轴无人机为工程样机，飞行器主控为 STM32F103C8T6，遥控为 STM32F103C6T6。项目代码为 HAL 库版本，该项目博客将把算法与硬件相结合，深入挖掘飞控的奥妙与原理。（代码开源！）

硬件实物图：

效果图：

飞控即无人机飞行控制器，可理解为飞行器的大脑，其核心是微控制器MCU。微控制器基于外部传感器（如姿态传感器，气压传感器，GPS，光流等）返回的数据，经过一系列处理与融合后，控制无人机的飞行姿态。飞控的种类有很多，常见的有：四旋翼、六旋翼和八旋翼无人机等（本项目专栏为四旋翼无人机项目）。

四旋翼无人机又叫做四轴飞行器，是一种小型的智能化产品。随着自动控制技术的更新换代以及人工智能广泛应用，使得无人机更加贴近人们的生活。其中，四旋翼无人机由于其价格低廉，结构稳定，性能优越，易于控制的特点而被广泛使用。

飞行器在飞行过程中有个重要的指标：飞行姿态。飞行姿态则涉及到如下欧拉角：pitch（俯仰角）、yaw（偏航角）、roll（横滚角）。

特别说明：飞机的坐标轴体系和AR眼镜是不一样的，指向机头的是X轴，指向右机翼的是Y轴，垂直向上的是Z轴（建议大家别人云亦云，多去参考正规性学术论文）。

pitch()：俯仰，将物体绕Y轴旋转（localRotationY）

yaw()：航向，将物体绕Z轴旋转（localRotationZ）

roll()：横滚，将物体绕X轴旋转（localRotationX）

飞行器通常都是需要设计配套遥控器的。当然，可以使用手机APP适配之后操作，也可以制作一个遥控手柄。本项目中四旋翼飞行器与遥控手柄通过 NRF24L01 2.4G 模块进行通讯。

油门：飞控的设计制作过程中，都会设计到一个关键词汇 “油门(throttle)” ，油门方向的遥感不具备自动回调的特性，通过油门方向的遥感控制飞行器的飞行高度。

解锁：高速旋转的机翼通常都具有一定的杀伤能力，为了防止简单误触造成飞行器意外起飞等情况。飞控的设计中存在锁门的这个概念，即：需要解锁操作，之后才能正常控制飞控。不同的遥控手柄的解锁方式往往不同，比较常见的解锁有： “外八字” 解锁和 “下上下” 油门解锁等。

上锁：飞行器飞行过程中难免可能出现意外情况，这个时候可以使用上锁操作强制锁定机翼转动。上锁方式同样根据实际情况设计。

四旋翼无人机主要分 “×” 型和 “＋” 型两种，两种无人机的主要区别在于机头方向的选择。四旋翼无人机的简化结构如下图所示，无刷电机转动带动四个桨叶高速旋转产生向上的升力作用于无人机，当推动遥控器的油门使升力逐渐超过无人机自身重力时，四旋翼无人机便能够起飞升空，控制器发出的指令不断改变无人机的电机转速，就可以使无人机切换到不同的运动模式。考虑到“×” 型四旋翼无人机机动性更好，故本项目将采用 “×” 型四旋翼无人机设计。

本项目以 “×” 型飞行器为设计标准，故后续以 “×” 型飞行器的运动控制学进行分析，该类型飞行器结构图如下：

为了方便描述，将四旋翼无人机的四个电机分别编号为：Motor1、Motor3、Motor2、Motor4。Motor1和 Motor3电机逆时针进行旋转，从而可以产生逆时针方向的扭矩，Motor2和 Motor4电机顺时针进行旋转，从而可以产生顺时针方向的扭矩。如此，四个旋翼旋转所产生的扭矩便可相互抵消。当四个旋翼具有相同的转速，产生的上升合力正好与自身重力相等，则飞行器将进入悬停状态！

如上图所示，在保证四旋翼无人机每个旋翼转速大小相同（产生的总扭矩为零），对每个旋翼增加/减小大小相同的转速，便可实现无人机的垂直上升/下降运动。

旋翼总升力>无人机重力，垂直上升； 旋翼总升力1A，如果按照瞬间导通的电流 2.5 倍计算，MOS 承受的电流应在 2.5A 左右。故 2302 符合使用条件。

电容：吸收电机产生的高频杂讯

 飞行器的电源模块通常使用航模专用锂电池。由于四轴在飞行过程中，电量不断下降，当下降到一定程度后，可能会出现瞬间低于 3.3V，这样稳压就会无法正常工作，导致输出截断，所以配备升压。

升压：BL8530 升压 IC 需要 47uH 电感作为储能，内部集成类似 BOOST 升压电路，大家学过电路原理的都会学到 BOOST 升压电路。而这个肖特基二极管，在这里起到续流作用。

稳压：662K 3.3V 稳压 IC，稳压（LDO）这个很好理解。

航模的锂电池通常具有高电流的特性，保证有足够电流量去驱动电机转动。

本篇作为飞控专栏的第一篇文章，其主要目的为帮助读者朋友们了解飞控的基础原理和设计框架。后续作者将手把手教大家完成四旋翼飞行器的制作，项目的硬件原理图和程序代码将全部开源给大家。当然，飞控算是较为复杂的嵌入式设计，建议读者朋友除了参考本人的博客，还可以多借鉴“匿名者”等优秀的飞控设计。