多旋翼无人飞行器嵌入式飞控开发实战-基于STM32系列微控制器的代码实现 -课件 奚海蛟 第1-4章 无人机概述- 无人机飞控系统的应用开发

多旋翼无人机飞行器嵌入式飞控开发实战无人机基本组成1无人机基本组成2无人机结构与飞行控制原理3无人机系统设计无人机的介绍

无人机，也称无人飞行器UAV（Unmannedaerialvehicle），是一种配备了数据处理系统，传感器，自动控制系统和通信系统等必要机载设备的飞行器，能够进行一定的稳态控制和飞行，一定的自主飞行而无需人工干预。无人机技术是一项涉及多个技术领域的综合系统，它对通信技术、传感器技术、人工智能技术、图像处理技术、控制理论都有较深的应用和较高的要求。固定翼无人飞行器续航时间最长飞行效率最高载荷最大起飞需要助跑降落需要滑行对场地要求较高优点缺点无人飞艇留空时间可以较长悬停方便安全可靠控制也较简单起飞需要助跑降落需要滑行对场地要求较高优点缺点伞翼无人飞行器轻巧速度较慢成本较低适合于低空飞行不能在较高的高度飞行动力较小易受强风影响机体过轻，受侧风影响较强烈优点缺点扑翼无人飞行器

基于仿生学原理，配备的活动机翼能够模拟飞鸟的翅膀上下扑动的动作从而产生升力和向前的推动力，又称振翼机。简介旋翼无人飞行器可以垂直起降对场地要求很低机械结构简单易维护保养控制简单载重较低续航时间较短优点缺点多旋翼无人机应用领域交通安防巡查农林植保消防救援灾害救援城市管理规划影视航拍电力巡线探矿测绘机架系统

优点是美观，可靠，性能一致性较好，一般价格相对不低，主要面向的是普通消费者玩家或者初学者。

缺点是更换零件比较麻烦，维修成本较高，一般都需要找原厂维修，无法自行更换零件。一体机

优点是可组装，可塑性，可外挂各种实验负载，方便维修以及更换升级零件。

缺点是需要有较深厚的经验，并且系统的稳定性可能会受到装配校准等方面的问题的影响。组装机机架系统必要的部件脚架机臂中心板一般中心板采用碳纤、玻纤或者FR4等材料，分为2~4层不等，也有根据应用要求增加的即飞行器的起落架，用于将飞行器垫起一定高度，以便为云台等挂载设备腾出空间，还可以提供降落缓冲，保障机体安全机臂一般采用碳管、PA等材料，保证轻质牢固的特点动力系统无刷直流电机，顾名思义，是不带电刷的，由于省去了电刷，使得没有了电刷损耗，也没有了有刷电机运转时产生的电火花，极大降低了电磁打火对机载电子设备的干扰。无刷电机有刷电机是早期电机，将磁铁固定在电机外壳或者底座，成为定子。然后将线圈绕组，成为转子。有刷电机采用内部集成了电刷进行电极换相，保持电机持续转动。有刷电机电子调速器

无刷电调最主要的参数是电调的电流，通常以安培来表示，如10A、20A、30A。电流

电调具有相应内阻，其发热功率需要得到注意。有些电调电流可以达到几十安培，发热功率是电流的平方的函数，所以电调的散热性能也十分重要，因此大规格电调内阻一般都比较小。内阻桨叶动力系统的组成中另一个非常重要的部分就是螺旋桨，螺旋桨是通过自身旋转，将电机转动功率转化为动力的装置。遥控器和遥控接收机

脉冲位置调制Pulse-positionmodulation，也叫脉位调制，这种调制采用脉冲信号的宽度位置来表示舵量，每个通道由8个型号脉冲组成，脉冲个数不变，脉冲宽度相同，只是脉冲的相位不同，由相位来代表所传递的编码信息。PPM调制

脉冲编码调制Pulsecodemodulation，也叫脉码调制，这种调制是将若干通道的舵量大小以二进制数字来进行编码，形成数据帧。PCM调制动力电源与充电系统电动多旋翼飞行器上由于电机的工作电流非常大，需要采用能够支持高放电电流的动力可充电锂电池供电，放电电流的大小通常用放电倍率来表示，即C值。无人机结构与飞行控制原理1无人机基本组成2无人机结构与飞行控制原理3无人机系统设计无人机机身布局无人机的旋翼结构单旋翼多旋翼单桨共轴双桨无人机的飞行控制原理

4个旋翼中对角线上的两个旋翼选装方向相同，相邻的两个旋翼选装方向相反，其中3、4号旋翼按照顺时针方向旋转，这里选用的是正桨，而1、2号旋翼按照逆时针方向旋转，采用的是反桨。悬停姿态

在飞行器悬停时，桨盘面垂直于重力，4个旋翼产生的合拉力抵消重力，产生的扭距也相互抵消。升降飞行

在悬停的基础上，向上推动遥控器油门拨杆时飞行器产生上升运动。

向下拉动遥控器油门拨杆时飞行器产生下降运动。俯仰(pitch)飞行

向上推动遥控器前进拨杆产生前进运动。

向下拉动遥控器前进拨杆产生后退运动。翻滚(roll)飞行

向右推动遥控器翻滚拨杆产生向右飞行的运动。

向左推动遥控器翻滚拨杆产生向左飞行的运动。偏航（yaw）飞行

右推动遥控器偏航拨杆产生顺时针方向的偏航动作。

向左推动遥控器偏航拨杆产生逆时针方向的偏航动作。无人机系统设计1无人机基本组成2无人机结构与飞行控制原理3无人机系统设计飞行控制系统硬件架构设计

“光标”飞控系统的核心采用意法半导体公司的STM32F407。主频：168MHzSRAM：192KbytesFlash：512Kbytes“光标”飞控的外设接口与传感器分布遥控接收机接口PWM（PulseWidthModulation）信号，脉宽调制。它主要通过周期性的脉冲高电平宽度组成的方波来代表控制信号。“光标”飞行控制系统的遥控接收机输入接口

“光标”飞控最多支持12路PWM遥控输入信号。PWM信号的优点是传输过程高电平采用全电压传输，非0即1，具有数字信号的特性，即可以拥有数信号的抗干扰能力。脉宽的宽度是可以连续调节的，因为这它是传输的连续模拟信息。PWM信号的产生和采集解析比较简单，只需要一定的数字电路或者定时器即可，基本不需要占用CPU的运算逻辑资源。传输的信号量与电压本身无关，因此对电压上的噪声纹波等不敏感。3214电调输出接口

采用TIM的输出比较模式（OutputCompare）直接控制PWM定时器输出，这样的好处是输出控制信号无需消耗CPU的运算资源。陀螺仪加速度计

光标”飞控中采用的陀螺仪、加速度计是集成一体的芯片MPU6050。MPU6050提供了SPI接口和I2C接口两套总线访问方式。陀螺仪加速度计

磁力计是通过芯片内部的微磁性材料来测量空间3维的磁场强度的传感器，在“光标”飞控中主要采用的是QMC5883L来进行测量，通过I2C总线访问。陀螺仪加速度计

气压高度计是通过测量大气压力来间接获取气压高度的传感器，本例采用MS5611气压传感器是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和I²C总线接口的新一代高分辨率气压传感器，分辨率可达到10cm。系统调试接口可以通过USART1进行系统的日志实时打印，以便于查看系统运行状态以及方便调试。GNSS接口

GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem）全球导航卫星位系统，主要包含美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，欧盟的伽利略卫星导航系统（GALILEO)，中国的北斗卫星导航系统（BDS），以及一些区域增强系统等。遥测数传接口

在飞控系统中为遥测数传模块采用串行通信口连接。“光标”飞控采用STM32系统的UART3串口作为遥测数传模块接口。光流与激光模块接口

光流（opticflow），从本质上说，就是我们在三维空间中视觉感应可以感觉到的运动模式，即光线的流动。激光测距是使用激光来对被测物体进行准确测距。超声波测距模块接口

超声波测距模块是用来测量距离，通过发送和收超声波，利用时间差和声音传播速度，计算出模块到前方障碍物的距离，“光标”飞控通过串口与超声波测距模块进行通信。EEPROM模块

EEPROM模块的功能主要是保存系统的传感器校准参数，系统配置，软件配置等信息。LED显示接口

“光标”飞控还提供了4个可以显示系统状态的LED指示灯，通过STM32系统的GPIO来控制LED的亮灭以及闪烁来指示系统状态。USB接口

STM32F407芯片本身还带有一个USBOTG的接口，即可以做USB主设备，也可以做USB从设备，在“光标”飞控系统中同样将其引出来，可以进行高速数据的传说，作为在地面阶段的调试口使用。无人机状态估计无人机控制流程基于FreeRTOS的飞控系统设计通过实现对STM32的GPIO、时钟配置、ADC、DMA以及TIM的介绍的同时实现无人机状态指示灯的控制、无人机电池电压的采集、无人机控制信号-PWM输出以及无人机遥控信号-PWM输入捕获。第3章无人机系统状态与输入输出控制信号1234无人机电池电压读取-ADC+DMA5无人机控制信号-PWM输出无人机状态指示灯控制无人机系统时钟配置无人机电池电压采集基础-ADC6无人机遥控信号-PWM输入捕获无人机状态指示灯控制1234无人机电池电压读取-ADC+DMA5无人机控制信号-PWM输出无人机状态指示灯控制无人机系统时钟配置无人机电池电压采集基础-ADC6无人机遥控信号-PWM输入捕获无人机状态指示灯控制了解ARMCortex-M系列芯片的定时器的工作原理。01通过配置STM32F407芯片定时器相关寄存器，实现PWM输入捕获。02GPIO基本属性端口模式

01输入

02输出03复用04模拟输出组态

01上拉

02下拉03浮空端口类型

01推挽

02开漏输出速度

012MHZ

0225MHZ0350MHZ04100MHZGPIO组

01GPIOA

02GPIOB03...04GPIOGI/O口基本结构端口模式寄存器（GPIOx_MODER）位2y:2y+1

：端口x配置位(y=0..15)端口输出类型寄存器（GPIOx_OTYPER）位15:0

：端口x配置位(y=0..15)端口输出速度寄存器（GPIOx_OSPEEDR）位2y:2y+1

：端口x配置位(y=0..15)端口上拉下拉寄存器（GPIOx_PUPDR）位2y:2y+1

：端口x配置位(y=0..15)端口输入数据寄存器(GPIOx_IDR)位15:0

：端口输入数据(y=0..15)端口输出数据寄存器（GPIOx_ODR）位15:0

：端口输出数据(y=0..15)原理图无人机状态指示灯控制控制LED灯的亮灭。练习简述实现点亮LED灯的过程。01简述GPIO的端口模式有哪些？02无人机系统时钟配置1234无人机电池电压读取-ADC+DMA5无人机控制信号-PWM输出无人机状态指示灯控制无人机系统时钟配置无人机电池电压采集基础-ADC6无人机遥控信号-PWM输入捕获无人机系统时钟配置了解ARMCortex-M系列芯片的内部时钟及定时器使用。01通过配置STM32F407芯片的内部定时器，实现流水灯效果。02SysTick定时器的寄存器寄存器名称寄存器描述CTRLSysTick控制及状态寄存器LOADSysTick重装载值寄存器VALSysTick当前数值寄存器CALIBSysTick校准数值寄存器CTRL控制及状态寄存器LOAD重装载数值寄存器VAL当前数值寄存器时钟树无人机系统时钟配置通过配置STM32F407芯片的内部定时器，实现流水灯效果。练习简述滴答定时器实现流程。01实现点亮其他的LED灯实现流水灯效果。02无人机电池电压采集基础-ADC1234无人机电池电压读取-ADC+DMA5无人机控制信号-PWM输出无人机状态指示灯控制无人机系统时钟配置无人机电池电压采集基础-ADC6无人机遥控信号-PWM输入捕获无人机电池电压采集基础-ADC了解ADC的原理，熟练ARMCortex-M系列芯片的GPIO的配置。01通过配置STM32F407芯片ADC对应的GPIO与ADC相关寄存器，实现获取芯片内部温度传感器或外接AD传感器数据的采集。02ADC功能框图01电压输入范围02输入通道03转换顺序04触发源05转换时间06数据寄存器07中断ADC状态寄存器（ADC_SR）位5

：溢出位4：规则通道开始标志位3：注入通道开始标志位2：注入通道转换结束位1：规则通道转换结束位0：模拟看门狗标志ADC控制寄存器（ADC_CR1）位26：溢出中断使能位25:24

：分辨率位23：规则通道上的模拟看门狗使能位22：注入通道上的模拟看门狗使能位15:13：不连续采样模式通道计数位12：注入通道的不连续采样模式位11：规则通道的不连续采样模式位10：注入组自动转换位9

：在扫描模式下使能单一通道上的看门狗位8

：扫描模式位7

：注入通道的中断使能位6

：模拟看门狗中断使能位5

：EOC中断使能位4:0：模拟看门狗通道选择位ADC控制寄存器（ADC_CR2）位30：开始转换规则通道位29:28：规则通道的外部触发使能位27:24：为规则组选择外部事件位22：开始转换注入通道位21:20：注入通道的外部触发使能位19:16：为注入组选择外部事件位11：数据对齐位10：结束转换选择位9

：DMA禁止选择位8

：直接存储器访问模式位1

：连续转换位0

：A/D转换器开启/关闭采样时间寄存器（ADC_SMPR1）位26:0：通道X采样时间选择采样时间寄存器（ADC_SMPR2）位29:0：通道X采样时间选择规则序列寄存器1（ADC_SQR1）位23:20：规则通道序列长度位19:15：规则序列中的第十六次转换位14:10：规则序列中的第十五次转换位14:10：规则序列中的第十五次转换位4:0

：规则序列中的第十三次转换规则数据寄存器（ADC_DR）位15:0：规则数据通用控制寄存器（ADC_CCR）位23

：温度传感器和VREFINT使能位22

：VBAT使能位17:16：ADC预分频器位15:14：直接存储器访问模式（对于多个ADC模式）位13

：DMA禁止选择（对于多个ADC模式）位11:8

：2个采样阶段之间的延迟位4:0

：多重ADC模式选择硬件原理图无人机电池电压采集基础-ADC配置STM32F407芯片ADC对应的GPIO与ADC相关寄存器，实现获取芯片内部温度传感器或外接AD传感器数据的采集。练习简述ADC实现过程。01代码实现其他ADC。02无人机电池电压读取-ADC+DMA1234无人机电池电压读取-ADC+DMA5无人机控制信号-PWM输出无人机状态指示灯控制无人机系统时钟配置无人机电池电压采集基础-ADC6无人机遥控信号-PWM输入捕获无人机电池电压读取-ADC+DMA了解ADC和DMA的原理，熟练ARMCortex-M系列芯片的GPIO的配置。01通过配置STM32F407芯片ADC对应的GPIO与ADC相关寄存器以及针对ADC，实现通过DMA传输ADC数据。02无人机电池电压读取-ADC+DMA无人机电池电压读取-ADC+DMA配置STM32F407芯片ADC对应的GPIO与ADC相关寄存器以及针对ADC，实现通过DMA传输ADC数据。练习简述ADC+DMA实现过程。01代码实现其他ADC+DMA。02无人机控制信号-PWM输出1234无人机电池电压读取-ADC+DMA5无人机控制信号-PWM输出无人机状态指示灯控制无人机系统时钟配置无人机电池电压采集基础-ADC6无人机遥控信号-PWM输入捕获无人机控制信号-PWM输出了解ARMCortex-M系列芯片的定时器的工作原理。01通过配置STM32F407芯片定时器相关寄存器，实现PWM输出。02PWM原理

脉冲宽度调制(PWM)，是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。简单一点，就是对脉冲宽度的控制。STM32F4定时器通用定时器基本结构12345616位（TIM3和TIM4）或32位（TIM2和TIM5）递增、递减和递增/递减自动重载计数器。16位可编程预分频器，用于对计数器时钟频率进行分频（即运行时修改），分频系数介于1到65536之间。多达4个独立通道使用外部信号控制定时器且可实现多个定时器互连的同步电路发生事件时生成中断/DMA请求支持定位用增量（正交）编码器和霍尔传感器电路7支持定位用增量（正交）编码器和霍尔传感器电路控制寄存器（TIMx_CR1）位9:8：时钟分频位7

：自动重载预装载使能位6:5：中心对齐模式选择位4

：方向位3：单脉冲模式位2：更新请求源位1：更新禁止位0：计数器使能控制寄存器（TIMx_CR2）位7：TI1选择位6:4MMS：主模式选择位3CCDS：捕获/比较DMA选择捕获/比较模式寄存器（TIMx_CCMR1）位15：输出比较2清零使能位14:12：输出比较2模式位11：输出比较2预装载使能位10：输出比较2快速使能位9:8：捕获/比较2选择位7：输出比较1清零使能位6:4：输出比较1模式位3：输出比较1预装载使能位2：输出比较1快速使能位1:0：捕获/比较1选择捕获/比较使能寄存器（TIMx_CCER）位15：捕获/比较4输出极性位13：捕获/比较4输出极性位12：捕获/比较4输出使能位11：捕获/比较3输出极性位9

：捕获/比较3输出极性位8

：捕获/比较3输出使位7：捕获/比较2输出极性位5：捕获/比较2输出极位4：捕获/比较2输出使能位3：捕获/比较1输出极性位1：捕获/比较1输出极性位0：捕获/比较1输出使能标准OCx通道的输出控制位预分频器（TIMx_PSC）位15:0：预分频器值自动重载寄存器（TIMx_ARR）位15:0：自动重载值飞控板电路原理图无人机控制信号-PWM输出配置STM32F407芯片定时器相关寄存器，实现PWM输出。练习简述PWM输出的过程。01代码实现其他PWM输出。02无人机遥控信号-PWM输入捕获1234无人机电池电压读取-ADC+DMA5无人机控制信号-PWM输出无人机状态指示灯控制无人机系统时钟配置无人机电池电压采集基础-ADC6无人机遥控信号-PWM输入捕获无人机控制信号-PWM输出了解ARMCortex-M系列芯片的定时器的工作原理。01通过配置STM32F407芯片定时器相关寄存器，实现PWM输入捕获。02PWM输入捕获

PWM输入模式是输入捕获模式的一个特例，需要占用两个捕获寄存器，这两个寄存器可分别测出输入PWM波的周期和占空比。PWM输入模式控制寄存器（TIMx_CR1）位9:8：时钟分频位7

：自动重载预装载使能位6:5：中心对齐模式选择位4

：方向位3：单脉冲模式位2：更新请求源位1：更新禁止位0：计数器使能DMA/中断使能寄存器（TIMx_DIER）位14：触发DMA请求使能位12：捕获/比较4DMA请求使能位11：捕获/比较3DMA请求使能位10：捕获/比较2DMA请求使能位9

：捕获/比较1DMA请求使能位8

：更新DMA请求使能位6：触发信号(TRGI)中断使能位4：捕获/比较4中断使能位3：捕获/比较3中断使能位2：捕获/比较2中断使能位1：捕获/比较1中断使能位0：更新中断使能捕获/比较模式寄存器（TIMx_CCMR1）位15：输出比较2清零使能位14:12：输出比较2模式位11：输出比较2预装载使能位10：输出比较2快速使能位9:8：捕获/比较2选择位7：输出比较1清零使能位6:4：输出比较1模式位3：输出比较1预装载使能位2：输出比较1快速使能位1:0：捕获/比较1选择捕获/比较使能寄存器（TIMx_CCER）位15：捕获/比较4输出极性位13：捕获/比较4输出极性位12：捕获/比较4输出使能位11：捕获/比较3输出极性位9

：捕获/比较3输出极性位8

：捕获/比较3输出使位7：捕获/比较2输出极性位5：捕获/比较2输出极位4：捕获/比较2输出使能位3：捕获/比较1输出极性位1：捕获/比较1输出极性位0：捕获/比较1输出使能预分频器（TIMx_PSC）位15:0：预分频器值自动重载寄存器（TIMx_ARR）位15:0：自动重载值电路原理图无人机控制信号-PWM输出配置STM32F407芯片定时器相关寄存器，实现PWM输入捕获。练习简述PWM输入捕获过程。01代码实现其他PWM输入捕获。02本章通过对STM32的USART以及DMA介绍基于MAVLink通信协议，实现了无人机的数据收发。第4章无人机通信1234无人机消息数据帧解析-串口DMA5无人机Mavlink消息收发无人机通信基础-串口轮询无人机通信基础-串口中断无人机消息数据收发-串口DMA无人机通信基础-串口轮询1234无人机消息数据帧解析-串口DMA5无人机Mavlink消息收发无人机通信基础-串口轮询无人机通信基础-串口中断无人机消息数据收发-串口DMA无人机通信基础-串口轮询了解串口的工作原理、ARMCortex-M系列芯片的串口的分类01通过配置STM32F407芯片的串口驱动，来实现串口通信。02无人机通信基础-串口轮询串口作为MCU的重要外部接口，同时也是软件开发重要的调试手段。通用同步异步收发器（USART）能够灵活地与外部设备进行全双工数据交换，满足外部设备对工业标准NRZ异步串行数据格式的要求。USART通过小数波特率发生器提供了多种波特率，通过配置多个缓冲区使用DMA可实现高速数据通信。串口结构串口异步通信需要定义的参数状态寄存器（USART_SR）数据寄存器（USART_DR）波特率寄存器（USART_BRR）控制寄存器（USART_CR1）控制寄存器（USART_CR2）控制寄存器（USART_CR3）原理图无人机通信基础-串口轮询通过配置STM32F407芯片的串口驱动，来实现串口通信练习简述串口轮询实现过程。01实现其他串口轮询。02无人机通信基础-串口中断1234无人机消息数据帧解析-串口DMA5无人机Mavlink消息收发无人机通信基础-串口轮询无人机通信基础-串口中断无人机消息数据收发-串口DMA无人机通信基础-串口中断了解串口的工作原理、ARMCortex-M系列芯片的串口的分类以及串口的中断响应01通过配置STM32F407芯片的串口和中断，来实现数据的收发02中断中断是指当CPU执行程序时，由于发生了某种随机的事件（外部或内部），引起CPU暂时中断正在运行的程序，转去执行一段特殊的服务程序（中断服务子程序或中断处理程序），以处理该事件，该事件处理完后又返回被中断的程序继续执行，这一过程就称为中断，引发中断地称为中断源。嵌套向量中断控制器NVIC，全称：Nestedvectoredinterruptcontroller，即嵌套向量中断控制器。Cortex-M4具有82个可屏蔽中断通道，16个可编程中断优先级（使用4位中断优先级）。中断优先级是指，假设有两中断先后触发，已经在执行的中断优先级如果没有后触发的中断优先级高，就会先处理优先级高的中断。中断向量表无人机通信基础-串口中断通过配置STM32F407芯片的串口和中断，来实现数据的收发练习简述串口中断和串口轮询的区别。01简述串口中断的实现过程。02无人机消息数据收发-串口DMA1234无人机消息数据帧解析-串口DMA5无人机Mavlink消息收发无人机通信基础-串口轮询无人机通信基础-串口中断无人机消息数据收发-串口DMA无人机消息数据收发-串口DMA了解DMA的工作原理01通过配置STM32F407芯片的DMA，来完成通过DMA实现串口数据收发02DMADMA，全称：DirectMemoryAccess，直接存储器访问用于在外设与存储器之间以及存储器与存储器之间提供高速数据传输。可以在无需任何CPU

操作的情况下通过DMA快速移动数据。这样节省的