基于STM32的四旋翼无人机控制系统设计

Modern Electronics Technique

2021年10月1日第44卷第19期

Oct.2021Vol.44No.19

0引言

四旋翼无人机作为多翼无人机的一种，越来越受到国内外无人机爱好者的青睐，再加上其具有机动性强、体积小、响应快速等特点，在很多场合都派上了用场，如植保、拍摄、侦查、搜救等领域。随着其应用的发展和功能的多样化，对四旋翼无人机控制系统的稳定性和敏捷性提出了更高的要求[1]

。目前市场上无人飞行器常用的

控制器有STC 的增强型51系列单片机、意法半导体（ST ）的STM32F1系列以及STM32F4系列单片机等。其中，增强型51单片机STC15F2K60S2工作主频最高为35MHz ，STM32F103微处理器工作主频达到了72MHz ，相比51单片机而言，STM32F103处理器内部资源丰富，且有独特的开发库函数，但两者都不具备浮点运算能力；STM32F407微处理器处理速度高达168MHz ，内部扩展接口除了常规的I 2C 、SPI 、USART 外，还添加了数字摄像头接口、DMA 控制器等资源，并集成FPU 浮点运算指令，是一款性价比超高的32位微处理器。基于此，本系统设计了一套基于STM32F407ZGT6处理器为控制核

基于STM32的四旋翼无人机控制系统设计

丁电宽1，赵晨浩2，贾天光1

（1.安阳师范学院物理与电气工程学院，河南安阳455000；2.南京邮电大学自动化学院人工智能学院，江苏南京

210023）

摘

要：为提升四旋翼无人机的控制性能和抗干扰能力，设计基于STM32的四旋翼无人机控制系统。控制系统由遥控

装置和四轴飞控两部分组成。其中，飞控核心为STM32F407处理器，惯性传感单元采用MPU6050传感器，定高测量采用超声波HC⁃SR04模块，遥控通信选用2.4GHz 无线通信模块；遥控装置由STM32F103处理器、nRF24L01无线传输模块和遥感电位器组成。系统通过遥控装置实时操作四轴飞控及定高。通过测试平台的调试可知，四轴飞控能快速准确地响应遥控装置的指令，顺利定位相应的高度，说明所设计系统具有较好的控制效果、较强的抗干扰能力。

关键词：无人机控制系统；四旋翼无人机；定高测量；遥控装置；四轴飞控；姿态解算；PID 控制中图分类号：TN92⁃34；TP872

文献标识码：A

文章编号：1004⁃373X （2021）19⁃0113⁃06

Design of quadrotor unmanned aerial vehicle control system based on STM32

DING Diankuan 1，ZHAO Chenhao 2，JIA Tianguang 1

（1.School of Physics and Electrical Engineering ，Anyang Normal University ，Anyang 455000，China ；

2.College of Automation &College of Artificial Intelligence ，Nanjing University of Posts and Telecommunications ，Nanjing 210023，China ）

Abstract ：In order to improve the control performance and anti ⁃interference ability of the quadrotor unmanned aerial vehicle （UAV ），a quadrotor UAV control system based on STM32is designed.The control system consists of a remote control device and a four⁃axis flight control part.In terms of the system ，the core of the flight control is equipped with the processor STM32F407，the inertial sensing unit is equipped with the sensor MPU6050，the ultrasonic HC ⁃SR04module is used for the

altitude setting and measurement ，and the 2.4GHz wireless communication module is used for the remote control communication.The remote control device of the system is composed of the processor STM32F103，the wireless transmission module nRF24L01and remote sensing potentiometer.The remote control device of the system is used to implement the four⁃axis flight control and altitude setting in real time.The debugging of the test platform shows that the four⁃axis flight control can quickly and accurately respond to the instructions of the remote control device and smoothly set the corresponding altitude.Therefore ，the designed

system has good control effect and strong anti⁃interference ability.Keywords ：UAV control system ；quadrotor UAV ；altitude measurement ；remote control device ；four⁃axis flight control ；

posture solution ；PID control

DOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2021.19.023

引用格式：丁电宽，赵晨浩，贾天光.基于STM32的四旋翼无人机控制系统设计[J].现代电子技术，2021，44（19）：113⁃118.

收稿日期：2021⁃03⁃23

修回日期：2021⁃04⁃09

基金项目：安阳市科技计划专项项目（安财预[2017]480号

[18]）资助

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现代电子技术

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2四轴飞控电路设计

四轴飞控电路主要由STM32F407ZGT6处理器、

MPU6050传感器、NRF24L01无线传输模块、超声波模块、无刷电机、多路电源模块构成。2.1

STM32F407ZGT6处理器介绍

STM32F407ZGT6带有FPU 的ARM ®32位Cortex ®⁃

M4CPU 、主频高达168MHz ，MPU ，能够实现高达210DMIPS/1.25DMIPS/MHz （Dhrystone 2.1）的性能，具

有DSP 指令集，并具有192KB SRAM 、1024KB FLASH 、12个16位定时器和2个频率高达168MHz 的32位定时器、2个DMA 控制器（共16个通道）、3个SPI 、3个I 2C 、6个串口、2个CAN 、3个12位ADC 、2个12位DAC 、1个FSMC 接口、1个摄像头接口以及112个通用I/O 口等。STM32F407ZGT6处理器根据读取MPU6050传感器的数据，融合姿态解算数据和遥控装置通过NRF24L01

无线传输模块得到的数据，通过PID 控制算法控制4个无刷电机，达到控制飞控的目的[6]。2.2

MPU6050传感器电路模块设计

MPU6050传感器是InvenSense 公司的一种六轴传感器，能同时检测三轴陀螺仪（三轴角速度）、三轴加速度的运动数据以及温度数据，自带数字运动处理器（Digital Motion Processor ，DMP ），通过主I 2C 接口，向应用端输出完整的9轴融合演算数据。四旋翼无人机的

首和尾是以MPU6050传感器的安装方向来讲的，一般令MPU6050传感器的Y 方向为PITCH 方向，

X 方向为ROLL 方向。安装时为了避免四旋翼无人机机架对陀螺仪和机架震动产生的影响，可在下方垫1cm 的泡沫

起缓冲作用[7]。

MPU6050的引脚与控制器连接如表1所示。

MPU6050传感器检测轴如图2所示。

表1飞控板MPU6050传感器引脚连接表

MPU6050传感器功能引脚

SCL

SDA STM32F407ZGT6处理器

PB8PB9

功能说明时钟线

数据线

图2MPU6050检测轴及其方向

2.3

NRF24L01无线模块设计

无线模块采用低电压、高速率、远距离的

NRF24L01作为通信模块，实现主控器接收遥控器发送的指令实时控制。该模块最高传输速率可达2Mb/s ，抗干扰能力强，工作损耗也较低，低电压工作在1.9~3.6V ，保证了在四旋翼无人机和遥控装置之间的通信可靠，连接稳定[8]。NRF24L01模块通过SPI 与控制器通信，连线如表2所示。2.4

HC⁃SR04超声波模块设计

HC⁃SR04超声波性能比较稳定，模块精度识别高，

测量距离也精准，体积小巧，

易于安装。超声波模块与

图1系统整体框图

心的四轴飞控，遥控装置采用STM32F103C8T6处理器为核心，两个装置之间通过2.4GHz 无线传输模块通信[2]。

1系统整体方案设计

控制系统由两部分组成，整体框图如图1所示。

图1a ）为遥控装置框图，摇杆控制遥感电位器，通过ADC 采样数据经2.4GHz NRF24L01无线通信模块发送

I 2C 给四轴飞控。遥控装置左边摇杆作为油门，右边摇

杆作为方向摇杆，用来控制无人机俯仰角和横滚角。图1b ）为飞控系统框图，系统以STM32F407ZGT6为处理器核心，通过HC⁃SR04超声波模块和MPU6050传感器模块将获得的数据进行解算融合之后，输出PWM 信号控制无刷电机。通过2.4GHz NRF24L01无线通信模块收取遥控装置进行指定动作的信息[3⁃5]。

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第19期

主控器引脚连接如表3所示[9]。

表2飞控板NRF24L01无线模块引脚连接表

NRF24L01

无线模块CE

CSN SCK MOSI MISO IRQ STM32F407ZGT6

处理器

PG6PG7PB3PB5PB4

PG8功能说明模式选择引脚SPI 协议的片选段SPI 时钟引脚主出从入数据引脚主入从出数据引脚SPI 信号中断引脚

表3四轴飞控HC⁃SR04超声波模块引脚连接表

HC⁃SR04超声波模块

TRIG

ECHO STM32F407ZGT6处理器

PA6PA0

功能说明触发控制信号输入回响信号输出

2.5

遥控装置电路设计

无人机遥控器主要由STM32F103C8T6主控芯片、摇杆

电位器、状态指示灯、2.4GHz 无线通信模块NRF24L01、USB 接口等主要部件组成。主控芯片读取摇杆电位器的ADC 数值后，通过无线通信模块发送遥控指令到无

人机，同时通过状态指示灯显示当前遥控器状态。通过拨动开关1可以控制无人机处于悬停状态，拨动开关2可以使无人机紧急制动，无线模块设置为发送模式[10]。主控芯片用到的引脚转接到40引脚的直插式转接板上，遥控装置电路原理图如图3所示。

3四轴无人机软件设计

软件设计主要包括四轴飞控的软件设计和遥控装

置的软件设计。软件设计在MDK 环境下Keil μVision5软件，C 语言编写程序，采用ST⁃Link 仿真器对四轴飞控和遥控装置下载，使用USB 转TTL 设备在串口助手上对四轴飞控进行调试。3.1

四轴飞控软件设计

系统上电，初始化无刷电机、MPU6050、NRF24L01无线模块、超声波模块，对系统做零偏处理，等待遥控装置起飞信号。当收到起飞信号时，电机开始加速到起飞速度，同时由MPU6050不断测得角度，无线模块接收遥控装置发送的数据，当接收到进入定高模式之后，就会把基础油门交给定高PID 控制系统，然后MCU 进行姿态解算，每隔5ms

调整一次四轴飞行器的姿态。

图3遥控装置电路原理图

丁电宽，等：基于STM32的四旋翼无人机控制系统设计115

现代电子技术

2021年第44卷

飞控系统程序设计流程如图4

所示。

图4飞控系统设计程序流程图

3.2

MPU6050模块软件设计

MPU6050姿态传感器模块采用I 2C 接口，内嵌数字

运动处理器（DMP ），可以完成复杂的姿态解算工作。每次上电都需要对其进行初始化设置，配置加速度计（陀

螺仪）量程范围及灵敏度、系统时钟选择、采样频率等参数。本设计设置加速度计量程为±2g ，使用以x 轴陀螺作为参考的PLL 为时钟源，采样频率选择1kHz 。配置DMP 流程如图5所示[11]

。

图5DMP 配置流程图

3.3

NRF24L01模块软件设计

NRF24L01模块采用SPI （串行外设总线）接口，该

模块最大的特点就是硬件接口少，通信速率高，最高工作速率为2Mb/s 。初始化NRF24L01模块如图6

所示。

图6NRF24L01初始化程序流程图

3.4

姿态解算软件设计

1）互补滤波算法

加速度计用来测量加速度，静态稳定性好，但在运

动状态下，数据相对不可靠。陀螺仪用来测量角速度，动态稳定性好，但是在静止的状态下，数据相对不可靠。通过加速度计的输出修正陀螺仪的漂移误差，实现加速度传感器和陀螺仪传感器的数据互补，再进行滤波处理得到稳定可靠的输出[12]。互补滤波算法流程如图7

所示。

图7互补滤波算法解算流程图

2）串级PID 控制

角速度闭环为串级PID 的内环，角度闭环为串级PID 的外环。外环输入量为角度值，输出量为角速度值，内环输入量为角速度值，输出量为PWM 值，直接送

给电机，进而改变无人机的整个姿态，所以姿态变化引

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第19期

起了无人机的角速度变化和角度变化。3.5

定高解算软件设计

本系统根据超声波模块输出信号的特点，巧妙利用定时器捕获功能测量回响脉冲信号的宽度（时间），然后参考声音的传播速度计算出离地高度，不仅提高了测量精度，也提高了代码执行效率。接下来对测量的高度数据进行滤波处理，提高系统抗干扰性能，最后将高度数据反馈给高度PID 控制系统，实现定高功能，如图8

所示。

图8超声波定高流程图

3.6

遥控装置软件设计

无人机遥控器主控芯片读取摇杆电位器的ADC 数

值后，通过无线通信模块发送遥控指令到无人机，同时通过状态指示灯显示当前遥控器状态。通过拨动开关1可以控制无人机处于悬停状态，拨动开关2可以使无人机紧急制动。

遥控装置系统流程图如图9

所示。

图9遥控装置系统程序设计流程图

4调试

1）测试条件

电机是朗宇X2212无刷直流电机，按“X 字”安装，电调是好盈乐天XRotor 系列电子调速器（亚太版）20A 电调，电池型号为3S 4000mAh 25C ，F450铝合金机架，1045正反桨，如图10

所示。

图10测试平台

2）调试过程

首先固定无人机，调整一个方向，先调内环参数，外环参数都设置为零，首先用串口助手对内环参数P 进行调整，从0慢慢往上加，合适的参数P ，当人为干扰时，能感觉到有抵抗力，无人机会震荡几下趋于平衡位置。然后再调D ，D 的效果十分明显，能抑制无人机超调，现象

是当人为干扰无人机时，无人机能快速地恢复到平衡位置。最后在P ，

D 的基础上加上I ，I 的作用可以使得在一定角度范围内（30°左右）可以修正重力带来的影响，合适的参数I ，当打舵回中时，不会因为重力或惯性作用继续转动。内环参数调整之后，使用串口助手调整外环参数P ，从0往上加，加上外环P 时，无人机表现比较明显，无人机会转到平衡状态。ROLL 的参数和PITCH 方向的内外环参数一样。当PITCH 方向和ROLL 方向的参数调整好之后，就可以调整YAW 的参数了，步骤和调前两个方向参数一样，先调内环参数，再调外环参数。

通过调试，四轴飞控能快速准确地响应遥控装置的指令。在定高模式中，能顺利定位相应的高度。具有较好的控制效果、较强的抗干扰能力。可手动切换自动/手动控高模式，飞行器能够完美地按照遥控指令做出相

应动作，完成预期设计目标。

丁电宽，等：基于STM32的四旋翼无人机控制系统设计117

5结语

本文设计了基于STM32的四旋翼无人机控制系统，以STM32作为主控电路设计四轴飞控电路，在MDK 环境下设计四轴无人机软件功能部分，采用互补滤波算法完成飞行器姿态控制，根据定时器捕获测量高度数据，完成飞行器定高，最后设计遥控装置，完成四旋翼无人机控制系统设计。调试结果表明，飞行器能够依照遥控指令完成动作，具有较好的控制效果和抗干扰能力，有很大的应用价值。

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作者简介：丁电宽（1971—），男，河南濮阳人，硕士，副教授，研究方向为嵌入式技术、信号检测、无人机飞控系统。

赵晨浩（1997—），男，河南新乡人，硕士研究生，研究方向为无人机飞行控制、slam、三维重建。

贾天光（1998—），男，河南濮阳人，研究方向为嵌入式技术、无人机、机器视觉。

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