四旋翼無人機，即四軸飛行器，在各種應(yīng)用中發(fā)揮的作用日趨重要，但這方面的設(shè)計仍然相當復(fù)雜，需綜合機械、電子和軟件子系統(tǒng)方面的知識。雖然設(shè)計人員有能力學習掌握所需的知識，但無人機開發(fā)套件可以為他們提供一個良好的開端，集合了無人機飛行理論和實踐經(jīng)驗累積所需的所有元素。

本文介紹了STMicroelectronics開發(fā)套件，該套件可為開發(fā)人員提供易于組裝的小型四軸飛行器無人機，同時也充分展示了所有多旋翼飛行器必備的復(fù)雜飛行控制系統(tǒng)。

四軸飛行器動力學

就最常見的形式而言，四軸飛行器為航空攝影、現(xiàn)場檢測、監(jiān)控等眾多應(yīng)用提供了相當穩(wěn)定的平臺。與固定翼飛機，甚至可變螺距直升機不同，由于小型高效直流電機的廣泛應(yīng)用，固定螺距多旋翼無人機的設(shè)計相對簡單，且易于構(gòu)建。

這些無人機的機械簡單性和空氣動力學穩(wěn)定性，主要源自各旋翼間的協(xié)調(diào)配合以控制各種動作，而不像飛機利用飛行表面控制，或如直升機利用主旋翼和尾槳的配合。

在四軸飛行器中，位于機身對角線上的一對電機旋轉(zhuǎn)方向相同，而與另一對電機的旋轉(zhuǎn)方向相反。若四個電機的轉(zhuǎn)速相同，無人機則可上升、下降或懸停。如果某對對角電機比另一對電機轉(zhuǎn)速快，則無人機發(fā)生偏航，保持在同一水平面繞重心旋轉(zhuǎn)（圖 1，左）。

圖 1：無人機通過不同的轉(zhuǎn)速組合操控動作，例如偏航動作（左）時兩個對角電機 (M2, M4) 同時加速；或一個對角電機 (M2) 加速，同時另一對角電機 (M4) 減速，從而完成更復(fù)雜的俯仰、滾轉(zhuǎn)動作（右）。（圖片來源：STMicroelectronics）

如果前（或后）旋翼電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，無人機就會像固定翼飛機上升或下降飛行一樣，機頭上升或下降。若左或右旋翼作出類似調(diào)節(jié)，將導(dǎo)致無人機滾轉(zhuǎn)，即繞中心線旋轉(zhuǎn)。通過調(diào)節(jié)對角電機或單個電機的相對速度，無人機可輕松實現(xiàn)更復(fù)雜的飛行姿態(tài)（俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)的組合）（圖 1，右）。發(fā)燒友公眾號回復(fù)資料可以免費獲取電子資料一份記得留郵箱地址。

無人機的飛行控制系統(tǒng)負責調(diào)節(jié)適當?shù)碾姍C轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)所需的飛行姿態(tài)，從而完成所需操作。

例如在實踐中，不僅在轉(zhuǎn)彎時，即使在水平飛行期間，控制系統(tǒng)也需要不斷調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，以校正諸如風、熱流或湍流的擾動力。即使在室內(nèi)操縱小型無人機，飛行控制系統(tǒng)也需要測量無人機的實際姿態(tài)和所需姿態(tài)之間的差值。

對于工程師而言，利用誤差信號校正電機轉(zhuǎn)速是常見的控制回路反饋問題，可以通過比例-積分-微分 (PID) 控制器來解決。而所剩的唯一概念挑戰(zhàn)則是確定測量無人機姿態(tài)的方法，不過使用高精度智能傳感器數(shù)據(jù)來做歐拉角計算，即可輕松解決這一問題。

歐拉角可表示物體相對于某個 xyz 參考坐標系的 XYZ 坐標系方向，這兩個坐標平面相交于直線 N（圖 2）。而歐拉角的定義為：

• α：x 軸與 N 之間的夾角
• ?：z 軸與 Z 軸之間的夾角
• γ：N 與 X 軸之間的夾角

圖 2： 歐拉角 (α, ?, γ) 描述了旋轉(zhuǎn)坐標系 (XYZ) 相對于固定參考坐標系 (xyz) 的相對方向，兩個坐標平面相交于直線 N。（圖片來源：Wikimedia Commons CC BY 3.0）

對于飛行控制系統(tǒng)，物體坐標系和參考坐標系直接對應(yīng)為無人機的當前方向 (XYZ) 及所需姿態(tài) (xyz)。而歐拉角則表示無人機所需的軸向旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)所需姿態(tài)。盡管多年來用于確定當前方向的原始數(shù)據(jù)一直由機械陀螺儀提供，但高精度微機電系統(tǒng) (MEMS) 加速計和陀螺儀的出現(xiàn)，使該方法甚至可以應(yīng)用于輕小型無人機。

如今，各種形狀和大小的無人機都依賴基于傳感器的姿態(tài)和航向參考系統(tǒng) (AHRS)，該系統(tǒng)可為歐拉角計算提供位置信息。而歐拉角用于為 PID 控制器提供誤差信號，PID 控制器則管理電機轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)所需飛行操作。挑戰(zhàn)在于在移動平臺上使用軟件實現(xiàn)該方法，該平臺必須能夠完成計算并以所需的速度和精度來調(diào)整電機。

STMicroelectronics 的 STEVAL-DRONE01 小型無人機套件及相關(guān)軟件提供了該方法的工作示例，可作為探索無人機飛行控制系統(tǒng)細節(jié)的基礎(chǔ)。

小型無人機套件整裝待“飛”

STEVAL-DRONE01 套件囊括了構(gòu)建小型四軸飛行器所需的所有組件。除了塑料機身外，該套件還包括四個 8.5 x 20 mm、3.7 V、8520 無鐵芯直流電機，每個電機的推力約為 35 g，并且配備 65 mm 螺旋槳。電機和螺旋槳配成兩對，可順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)。與 3.7 V 鋰離子聚合物 (LiPo) 電池組裝后，無人機總重量（或空中總重量，AUW）小于 70 g，無人機操作時的最佳推力重量比約為 2:1。

然而，除了機械部件外，該套件的核心組件是 STMicroelectronics 的STEVAL-FCU001V1飛行控制器單元 (FCU) 電路板及相關(guān)軟件包，這些部件共同實現(xiàn)了上述飛行控制系統(tǒng)功能。FCU 電路板是高能效的復(fù)雜多傳感器系統(tǒng)，具有低功耗藍牙 (BLE) 連接功能（圖 3）。

圖 3： STMicroelectronics 的 STEVAL-FCU001V1 飛行控制器單元是完整的電池供電多傳感器系統(tǒng)，具有 BLE 連接和直流電機驅(qū)動功能。（圖片來源：STMicroelectronics）

該電路板配備基于 32 位Arm?Cortex?-M4 的 STMicroelectronicsSTM32F401微控制器，具有三個不同的 MEMS 傳感器，分別用于測量無人機定位和導(dǎo)航的不同特征，包括：

• STMicroelectronics 的LSM6DSLiNEMO 慣性測量裝置 (IMU)，集成了 AHRS 功能所需的加速計和陀螺儀
• STMicroelectronics 的LIS2MDL磁力儀，為實現(xiàn)方向檢測功能提供數(shù)據(jù)
• STMicroelectronics 的LPS22HD壓力傳感器，用于提供垂直定位數(shù)據(jù)，分辨率為 8 cm

在傳感器輸入端，F(xiàn)CU 的 STM32F401 微控制器通過共享 SPI 總線與各傳感器連接。在電機輸出端，微控制器的 TIM4 通用定時器提供脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號，用于控制 STMicroelectronics 的STL6N3LLH6MOSFET 功率晶體管的柵極，以驅(qū)動無人機的直流電機。

FCU 提供兩個選項用于接收用戶控制命令：用戶可以在智能手機上，通過藍牙連接板載 STMicroelectronics 的SPBTLE-RF模塊來控制無人機，該模塊包括該公司推出的BlueNRG-MS收發(fā)器，提供最佳功耗的藍牙堆棧。或者，用戶可以使用基于標準無線電控制 (RC) PWM 的遙控器。最后，對于電池和電源管理，該電路板包括 STMicroelectronics 的STC4054鋰離子電池充電器 IC 和LD39015低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器。

如圖 3 所示，F(xiàn)CU 還支持與外部電子速度控制器 (ESC) 的連接，例如 STMicroelectronics 的STEVAL-ESC001V1。ESC 允許系統(tǒng)驅(qū)動更穩(wěn)定的三相電機，使得 FCU 可以應(yīng)用于承載能力較大的四軸飛行器設(shè)計。

為簡化飛行準備和控制，該套件預(yù)先配置為通過 STMicroelectronics 的STDroneAndroid 移動應(yīng)用程序來使用藍牙連接選項。該應(yīng)用程序設(shè)計為虛擬遙控器，可為用戶提供簡單的飛行控制界面，具有控制圖標和兩個虛擬操縱桿（圖 4）。

圖 4： STMicroelectronics 的 STDrone Android 移動應(yīng)用程序為用戶提供虛擬遙控器，可操作由該公司的 STEVAL-DRONE01 開發(fā)套件構(gòu)建的小型無人機。（圖片來源：STMicroelectronics）

組裝后，無人機操作員可以在移動設(shè)備上使用 STDrone 應(yīng)用程序啟動和控制無人機。起飛前，操作員需將無人機放置在平坦表面上，觸摸應(yīng)用程序的“校準”圖標直至圖標變?yōu)榫G色，則表示校準已完成。為了安全起見，無人機電機最初會通過軟件禁用，要求用戶在應(yīng)用程序中點擊另一個圖標來“裝載”無人機。此時，應(yīng)用程序用戶界面的功能則類似于遙控器，允許用戶移動虛擬操縱桿，以調(diào)整無人機的電機轉(zhuǎn)速和飛行姿態(tài)。

盡管超輕型 STMicroelectronics 無人機的質(zhì)量和功率不足以進行廣泛的戶外應(yīng)用，但是操作員如需在戶外操作小型無人機，則需要了解無人機在預(yù)定操作區(qū)域的飛行限制。操作小型無人機可能不需要操作許可證，或為這類小型無人機注冊。不過，操作員仍需要遵守相關(guān)要求。

具體飛行要求包括：保持視距，最大高度不得超過 400 ft；避開禁飛區(qū)，例如美國規(guī)定為機場 5 ml 范圍內(nèi)，英國規(guī)定為 1 km 范圍內(nèi)；避免在體育賽事或緊急行動場地附近進行操作等。無人機操作員可以使用移動應(yīng)用程序，例如美國聯(lián)邦航空管理局的B4UFLY應(yīng)用程序，或英國國家空中交通管理局 (NATS) 的Drone Assist（無人機助手）應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序都可根據(jù)用戶的 GPS 定位提供當?shù)乜沼蛳拗频南嚓P(guān)信息。

飛行控制軟件

對于工程師而言，STMicroelectronics 無人機套件的 FCU 具有一大亮眼功能，即相關(guān)軟件包，STMicroelectronics 將其保存在開源的github 存儲庫中。該應(yīng)用程序基于 STMicroelectronics 的 STM32Cube 框架，建立在藍牙堆棧中間件和底層驅(qū)動層之上。驅(qū)動層使用 STM32Cube 硬件抽象層 (HAL) 和 STEVAL-FCU001V1 板級支持包 (BSP) 處理硬件交互的細節(jié)。驅(qū)動層包括所有上述 FCU 電路板設(shè)備的驅(qū)動程序。

該應(yīng)用程序的軟件架構(gòu)圍繞三個獨立模塊構(gòu)建，這些模塊分別用于遙控、位置確定和 PID 控制（圖 5）：

• 遙控模塊處理來自 STDrone 移動應(yīng)用程序或 RC 遙控器的輸入，從應(yīng)用程序采集數(shù)據(jù)值或轉(zhuǎn)換遙控器 PWM 數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為所需飛行姿態(tài)的歐拉角。
• 位置確定模塊從 LSM6DSL IMU 采集加速計和陀螺儀數(shù)據(jù)，用于歐拉角計算所需的 AHRS 位置測定值，從而確定無人機的當前飛行姿態(tài)。雖然來自 LIS2MDL 磁力儀和 LPS22HD 壓力傳感器的數(shù)據(jù)也會得到采集，但截止本文撰寫時，這些數(shù)據(jù)不適用于現(xiàn)有軟件版本中的無人機飛行控制計算。
• PID 控制模塊使用所需姿態(tài)歐拉角與當前姿態(tài)歐拉角之間的差值來完成位置誤差計算。該模塊采用傳統(tǒng) PID 控制方法，使用誤差信號調(diào)節(jié)各電機轉(zhuǎn)速，使無人機實現(xiàn)所需姿態(tài)。

圖 5： STMicroelectronics 小型無人機飛行控制軟件功能圍繞獨立的模塊構(gòu)建，分別用于處理遙控輸入（藍色框，標記(1)）、位置確定（紅色框，(2)）和 PID 控制（深藍色框，(3)）。隨后 PID 控制驅(qū)動四軸飛行器的四個電機。（圖片來源：STMicroelectronics）

使用這種功能架構(gòu)，無人機應(yīng)用程序?qū)⑦@些模塊整合到所需工作流中，從而將用戶操作命令轉(zhuǎn)換為執(zhí)行這些操作所需的電機轉(zhuǎn)速調(diào)整（圖 6）。盡管整體功能比較復(fù)雜，但更新飛行控制參數(shù)的主循環(huán)相對簡單。

圖 6： STMicroelectronics 小型無人機飛行控制軟件實現(xiàn)一個連續(xù)讀取傳感器數(shù)據(jù)的工作流，更新無人機的當前飛行姿態(tài)，調(diào)整無人機四個電機的轉(zhuǎn)速，從而達到飛行所需的推力，實現(xiàn)俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航的動作組合。（圖片來源：STMicroelectronics）

調(diào)用初始化硬件和軟件系統(tǒng)等一系列例程后，應(yīng)用程序主例程 main.c 進入無限循環(huán)（清單 1）。在主循環(huán)中，更新過程調(diào)用一系列例程來執(zhí)行上述飛行控制核心算法。

復(fù)制while (1) { ...if (tim9_event_flag == 1) { // Timer9 event: frequency 800Hz tim9_event_flag = 0; ...// AHRS update, quaternion & true gyro data are stored in ahrs ahrs_fusion_ag(&acc_ahrs, &gyro_ahrs, &ahrs); // Calculate euler angle drone QuaternionToEuler(&ahrs.q, &euler_ahrs); #ifdef REMOCON_BLE gRUD = (joydata[2]-128)*(-13); gTHR = joydata[3]*13; gAIL = (joydata[4]-128)*(-13); gELE = (joydata[5]-128)*13; /* joydata[6]: seek bar data*/ /* joydata[7]: additional button data first bit: Takeoff (0 = Land, 1 = Takeoff) second bit: Calibration When it changes status is active third bit: Arming (0 = Disarmed, 1 = Armed) */ gJoystick_status = joydata[7]; if ((gJoystick_status&0x04)==0x04){ rc_enable_motor = 1; fly_ready = 1; BSP_LED_On(LED2); } else { rc_enable_motor = 0; fly_ready = 0; } if (connected){ rc_connection_flag = 1; /* BLE Remocon connected flag for enabling motor output */ SendMotionData(); SendBattEnvData(); SendArmingData(); } else{ rc_connection_flag = 0; gTHR=0; rc_enable_motor = 0; fly_ready = 0; BSP_LED_Off(LED1); BSP_LED_Off(LED2); } if (joydata[7]&0x02){ rc_cal_flag = 1; BSP_LED_On(LED1); } #endif #ifdef REMOCON_PWM ...#endif // Get target euler angle from remote control GetTargetEulerAngle(&euler_rc, &euler_ahrs); ...FlightControlPID_OuterLoop(&euler_rc_fil, &euler_ahrs, &ahrs, &pid); ...} ...}

在此循環(huán)中，微控制器的 TIM9 通用定時器用作事件標志以控制更新速率。發(fā)生更新計時器的事件時，主循環(huán)調(diào)用 AHRS 更新例程 ahrs_fusion_ag()，該例程使用來自加速計 (acc_ahrs) 和陀螺儀 (gyro_ahrs) 的最新數(shù)據(jù)，執(zhí)行更新涉及的傳感器融合計算。然后，QuaternionToEuler() 例程使用該結(jié)果數(shù)據(jù)（四元數(shù)形式）來計算無人機當前飛行姿態(tài)的歐拉角。

此時，如果已啟用藍牙 (#ifdef REMOCON_BLE)，應(yīng)用程序主循環(huán)將使用藍牙采集所需飛行姿態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)；如果已啟用外部 RC 遙控器，則應(yīng)用程序?qū)⑹褂眠b控器采集相關(guān)數(shù)據(jù)。而代碼更新對應(yīng)傳統(tǒng) RC 遙控器數(shù)據(jù)的四個變量：gRUD（方向舵位置，即偏航）、gAIL（副翼位置，即滾轉(zhuǎn)）、gELE（升降舵位置，即俯仰）和 gTHR（節(jié)流閥位置）。采集了這些數(shù)據(jù)后，主循環(huán)使用例程 GetTargetEulerAngle() 來計算所需飛行姿態(tài)的歐拉角，以執(zhí)行無人機操作員的命令。不過在執(zhí)行計算之前，主循環(huán)這部分的功能對無人機操作員而言至關(guān)重要。若出于任何原因?qū)е滤{牙連接失敗，代碼將停止電機。顯然，這將致使無人機即刻不受控制地下降。然而有個簡單卻意義重大的軟件擴展，可能會使用 LIS2MDL 磁力儀和 LPS22HD 壓力傳感器數(shù)據(jù)，在停止電機前，使無人機飛回起始點，并控制下降速度以平穩(wěn)降落。

最后，主循環(huán)調(diào)用例程 FlightControlPID_OuterLoop()，更新 PID 控制器的目標值。此外，F(xiàn)lightControlPID_innerLoop() 則屬于回調(diào)操作的一部分，旨在中斷 TIM9 定時器事件。TIM9 定時器事件頻率設(shè)定為 800 Hz。每次中斷時，回調(diào)例程讀取傳感器，篩選原始數(shù)據(jù)，更新與變量 acc_ahrs 和 gyro_ahrs 相關(guān)的先進先出 (FIFO) 緩沖器。這兩個變量在上述主循環(huán)中均已提及。回調(diào)例程使用無人機當前飛行姿態(tài)的更新數(shù)據(jù)，調(diào)用 FlightControlPID_innerLoop()，重新計算各電機的 PWM 值。最后，回調(diào)例程調(diào)用 set_motor_pwm()，為微控制器的 PWM 輸出賦值，并結(jié)束更新過程。

開發(fā)人員可以使用各種工具鏈修改開源軟件包，輕松探索其他飛行控制方案。這些工具鏈包括適用于 ARM 的 IAR Embedded Workbench、適用于 STM32 的 KEIL RealView 微控制器開發(fā)套件，以及 STMicroelectronics 推出基于 Windows 的免費版System Workbench for STM32集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)。在對修改過的代碼進行編譯后，開發(fā)人員可以使用 STMicroelectronics 的ST-LINK/V2在線調(diào)試器和編程器，或連接 STMicroelectronics 的STM32 Nucleo開發(fā)板與套件隨附的 JTAG 串行線調(diào)試 (SWD) 適配器板，將固件加載到 FCU 中。

總結(jié)

在航空攝影、現(xiàn)場檢測、監(jiān)控等眾多應(yīng)用中，多旋翼無人機因機械設(shè)計頗為簡單而深受青睞。這些無人機使用智能傳感器為控制算法提供數(shù)據(jù)，采用復(fù)雜的飛行控制軟件，支持穩(wěn)定操作，并能快速響應(yīng)無人機操作員的操作命令。

雖然開發(fā)人員可以自行尋找并組裝所需的機械、電氣和軟件組件，但 STMicroelectronics 推出的全面小型無人機開發(fā)套件，使其能夠更輕松地引入小型無人機的設(shè)計和操作。通過探索甚至修改相關(guān)的開源飛行控制軟件，開發(fā)人員可以快速獲取多旋翼無人機飛行動力學和控制算法方面的經(jīng)驗。