51单片机小四轴飞行器DIY制作附详细注释的源码与电路图

ID:185443 · 发表于 2018-12-30 10:08

硬件参数：
//电池:1S/3.7V电池推荐300-650mAh左右 500mah以上的电池推荐安装在背面
//电机/桨:720空心杯/59MM桨
// 特别声明：本程序测试的空心杯为淘宝店铺深圳杰盛电机的720空心杯其他厂家的电机不适用于本程序，除非自行调整PID
//  本程序测试的螺旋桨为虎虎平价店的59MM直径 1mm孔径螺旋桨其他厂家的螺旋桨不适用于本程序，除非自行调整PID
//MCU IAP15W4K61S4@28.000MHZ  (B版！A版单片机绝对不适合！)
//特别说明，本程序目前只适合IAP系列的单片机，非IAP单片机使用须修改EEPROM读写地址
//陀螺仪加速度计：MPU-6050
//无线芯片:NRF24L01
//电机驱动MOS管:AO3400
//升压方案:BL8530
//3.3V稳压方案:ME6219C-33-M5G
//下载口保护:1K电阻
//机架尺寸:94mm*94mm
//设计失误的地方：
//MOS管保护用的肖特基放错了位置，不过完全不影响使用，这种小四轴不加肖特基保护都行。
//软件参数：
//姿态解算：四元数
//滤波：互补滤波（From 德国开源四轴）
//PID：串级PID 外环PI,内环PID

电路原理图如下：

单片机源程序如下:

//四川绵阳西南科技大学信息工程学院电气13级
//本人只提供有限技术支持,截止时间：2015年3月1号,过时不候，请勿打扰。
//本人今年大二上期，由于技术有限提问时请不要超过本程序及本硬件的范围，什么捷联惯导技术，扩展卡尔曼，梯度下降滤波
//就不要问了，我也不懂，最近在自学自动控制原理，还是个小渣渣，连STM32都不会，做个四轴都还是只能苦逼地用51单片机
//本程序属于完全开源程序，允许用于进行二次开发，但是不能做细小改动后就声明自己拥有版权，
//对于抄袭后又声明自己有版权是自己开发的我只想说我QNMLGB。
//使用本程序应遵循GNUGPL协议！
//本程序属于本硬件的最终版本，不会继续升级，但是会不定期的发布修复Bug后的程序。
//特别鸣谢在研发过程中给予支持的朋友及团体：
// 西南科技大学电气09级刘畅
// 西南科技大学嵌入式技术实验室何科君
// 西南科技大学航空航天学社暨空气动力学实验室
//硬件参数：
//电池:1S/3.7V电池推荐300-650mAh左右 500mah以上的电池推荐安装在背面
//电机/桨:720空心杯/59MM桨
// 特别声明：本程序测试的空心杯为淘宝店铺深圳杰盛电机的720空心杯其他厂家的电机不适用于本程序，除非自行调整PID
// 本程序测试的螺旋桨为淘宝店铺虎虎平价店的59MM直径 1mm孔径螺旋桨其他厂家的螺旋桨不适用于本程序，除非自行调整PID
//MCU IAP15W4K61S4@28.000MHZ (B版！A版单片机绝对不适合！)
//特别说明，本程序目前只适合IAP系列的单片机，非IAP单片机使用须修改EEPROM读写地址
//陀螺仪加速度计：MPU-6050
//无线芯片:NRF24L01
//电机驱动MOS管:AO3400
//升压方案:BL8530
//3.3V稳压方案:ME6219C-33-M5G
//下载口保护:1K电阻
//机架尺寸:94mm*94mm
//设计失误的地方：
//MOS管保护用的肖特基放错了位置，不过完全不影响使用，这种小四轴不加肖特基保护都行。
//软件参数：
//姿态解算：四元数
//滤波：互补滤波（From 德国开源四轴）
//PID：串级PID 外环PI,内环PID
//数据定义说明：
//data 51单片机片内RAM最前面128字节RAM 用ACC读写，速度最快
//idata 片内RAM最前面256字节的RAM 包括data 用类似指针模式访问适合用于指针操作
//pdata 外部扩展RAM的前256字节的RAM 不要用会大姨妈！
//xdata 外部扩展RAM 用DPTR访问
#include <STC15W4K60S4.H>
#include <intrins.h>
#include <NRF24L01.H>
#include <MPU6050.H>
#include <math.h>
#include <STC15W4KPWM.H>
#include <Timer.h>
#include <EEPROM.h>
#include <USART.h>
#include <IMU.H>
//******************************************************************************************************
float XE=0,YE=0; //角度人为修正，但是四轴漂移一般是硬件造成的，故不将此值写入EEPROM，这个只是应急使用，发现漂移应
//连至上位机检查电机轴是否发生弯曲，发现问题电机及时更换
float YM=0; //油门变化速度控制，不这样做的话快速变化油门时四轴会失速翻转并GG
int ich1=0,ich2=0,ich3=0,ich4=0,ich5=0,ich6=0; //无线串口/串口相关
int speed0=0,speed1=0,speed2=0,speed3=0,V=0; //电机速度参数
int PWM0=0,PWM1=0,PWM2=0,PWM3=0; //加载至PWM模块的参数
int g_x=0,g_y=0,g_z=0; //陀螺仪矫正参数
char a_x=0,a_y=0; //角度矫正参数
unsigned char TxBuf[20]={0};
unsigned char RxBuf[20]={0};
double PID_x=0,PID_y=0,PID_z=0; //PID最终输出量
float FR1=0,FR2=0,FR3=0; //将char数据转存为float型
//*****************角度参数*************************************************
double Gyro_y=0,Gyro_x=0,Gyro_z=0; //Y轴陀螺仪数据暂存
double Accel_x=0,Accel_y=0,Accel_z=0; //X轴加速度值暂存
double Angle_ax=0,Angle_ay=0,Angle_az=0; //由加速度计算的加速度(弧度制)
double Angle_gy=0,Angle_gx=0,Angle_gz=0; //由角速度计算的角速率(角度制)
double AngleAx=0,AngleAy=0; //三角函数解算出的欧拉角
double Angle=0,Angley=0; //四元数解算出的欧拉角
double Anglezlate=0; //Z轴相关
double Ax=0,Ay=0; //加入遥控器控制量后的角度
//****************姿态处理和PID*********************************************
float Out_PID_X=0,Last_Angle_gx=0;//外环PI输出量上一次陀螺仪数据
float Out_XP=35,Out_XI=0.01,ERRORX_Out=0;//外环P 外环I 外环误差积分
float In_XP=0.4,In_XI=0.01,In_XD=9,ERRORX_In=0;//内环P 内环I 内环D 内环误差积分
float Out_PID_Y=0,Last_Angle_gy=0;
float Out_YP=35,Out_YI=0.01,ERRORY_Out=0;
float In_YP=0.4,In_YI=0.01,In_YD=9,ERRORY_In=0;
float ZP=5.0,ZD=4.0;//自旋控制的P D
int lastR0=0,ZT=0; //上一次RxBuf[0]数据(RxBuf[0]数据在不断变动的) 状态标识
int i=0;
void Angle_Calculate() interrupt 1
{
//if(YM<RxBuf[4]&&(RxBuf[4]-YM)<=2){YM++;YM++;}
//else if(YM>RxBuf[4]&&(YM-RxBuf[4])<=2){YM--;YM--;} //防止油门变化过快而失速
//else {YM=RxBuf[4];}
if(RxBuf[1]>FR1){FR1+=0.2;}else if(RxBuf[1]<FR1){FR1-=0.2;}
if(RxBuf[2]>FR2){FR2+=0.2;}else if(RxBuf[2]<FR2){FR2-=0.2;}
YM=(float)RxBuf[4]*3/4;
if(YM>100)//如果油门大于100 即开始起飞
{
if(RxBuf[0]==lastR0)//如果RxBuf[0]的数据没有收到即矢联
{
ZT++; //状态标识+1
if(ZT>128){ZT=128;} //状态标识大于128即1秒没有收到数据，失控保护
}
else{ZT=0;}
}
else{ZT=0;} //收到信号退出失控保护
if(ZT==128){YM=101;RxBuf[1]=128;RxBuf[2]=128;} //触发失控保护油门为1半少一点，缓慢下降，俯仰横滚方向舵归中
lastR0=RxBuf[0];
i++;
if(i==130){i=129;}
Accel_y= GetData(ACCEL_YOUT_H); //读取6050数据
Accel_x= GetData(ACCEL_XOUT_H);
Accel_z= GetData(ACCEL_ZOUT_H);
Gyro_x = GetData(GYRO_XOUT_H)-g_x;
Gyro_y = GetData(GYRO_YOUT_H)-g_y;
Gyro_z = GetData(GYRO_ZOUT_H)-g_z;
Last_Angle_gx=Angle_gx; //储存上一次角速度数据
Last_Angle_gy=Angle_gy;
Angle_ax=(Accel_x)/8192; //加速度处理
Angle_az=(Accel_z)/8192; //加速度量程 +-4g/S
Angle_ay=(Accel_y)/8192; //转换关系8192LSB/g
Angle_gx=(Gyro_x)/65.5; //陀螺仪处理
Angle_gy=(Gyro_y)/65.5; //陀螺仪量程 +-500度/S
Angle_gz=(Gyro_z)/65.5; //转换关系65.5LSB/度
//***********************************四元数解算***********************************
IMUupdate(Angle_gx*0.0174533,Angle_gy*0.0174533,Angle_gz*0.0174533,Angle_ax,Angle_ay,Angle_az);
//0.174533为PI/180 目的是将角度转弧度
//********************三角函数直接解算以供比较四元数解算精准度********************
AngleAx=atan(Angle_ax/sqrt(Angle_ay*Angle_ay+Angle_az*Angle_az))*57.2957795f; //后面的数字是180/PI 目的是弧度转角度
AngleAy=atan(Angle_ay/sqrt(Angle_ax*Angle_ax+Angle_az*Angle_az))*57.2957795f;
//**************X轴指向***********************************************************
FR1=((float)RxBuf[1]-128)/7; //char类型转存为float以便除法运算
Ax=Angle-FR1-a_x; //角度控制量加载至角度
if(YM>20)
{
ERRORX_Out+=Ax;//外环积分(油门小于某个值时不积分)
}
else
{
ERRORX_Out=0; //油门小于定值时清除积分值
}
if(ERRORX_Out>500){ERRORX_Out=500;}
else if(ERRORX_Out<-500){ERRORX_Out=-500;}//积分限幅
Out_PID_X=Ax*Out_XP+ERRORX_Out*Out_XI;//外环PI
if(YM>20)
{
ERRORX_In+=(Angle_gy-Out_PID_X); //内环积分(油门小于某个值时不积分)
}
else
{
ERRORX_In=0; //油门小于定值时清除积分值
}
if(ERRORX_In>500){ERRORX_In=500;}
else if(ERRORX_In<-500){ERRORX_In=-500;}//积分限幅
PID_x=(Angle_gy+Out_PID_X)*In_XP+ERRORX_In*In_XI+(Angle_gy-Last_Angle_gy)*In_XD;//内环PID
if(PID_x>1000){PID_x=1000;} //输出量限幅
if(PID_x<-1000){PID_x=-1000;}
speed0=0-PID_x,speed2=0+PID_x;
//**************Y轴指向**************************************************
if(RxBuf[2]>=143||RxBuf[2]<=113);else{RxBuf[2]=128;}
FR2=((float)RxBuf[2]-128)/7; //char类型转存为float以便除法运算
Ay=Angley+FR2-a_y; //角度控制量加载至角度
if(YM>20)
{
ERRORY_Out+=Ay;//外环积分(油门小于某个值时不积分)
}
else
{
ERRORY_Out=0; //油门小于定值时清除积分值
}
if(ERRORY_Out>500){ERRORY_Out=500;}
else if(ERRORY_Out<-500){ERRORY_Out=-500;}//积分限幅
Out_PID_Y=Ay*Out_YP+ERRORY_Out*Out_YI;//外环PI
if(YM>20)
{
ERRORY_In+=(Angle_gx-Out_PID_Y); //内环积分(油门小于某个值时不积分)
}
else
{
ERRORY_In=0; //油门小于定值时清除积分值
}
if(ERRORY_In>500){ERRORY_In=500;}
else if(ERRORY_In<-500){ERRORY_In=-500;}//积分限幅
PID_y=(Angle_gx+Out_PID_Y)*In_YP+ERRORY_In*In_YI+(Angle_gx-Last_Angle_gx)*In_YD;//内环PID
if(PID_y>1000){PID_y=1000;} //输出量限幅
if(PID_y<-1000){PID_y=-1000;}
speed3=0+PID_y,speed1=0-PID_y;//加载到速度参数
//**************Z轴指向(Z轴随便啦，自旋控制没必要上串级PID)*****************************
FR3=((float)RxBuf[3]-128)*1.5;
Angle_gz-=FR3;
PID_z=(Angle_gz)*ZP+(Angle_gz-Anglezlate)*ZD;
Anglezlate=Angle_gz;
speed0=speed0+PID_z,speed2=speed2+PID_z;
speed1=speed1-PID_z,speed3=speed3-PID_z;
//*****************串口及无线串口相关***************************************************
ich1=Ax;
ich2=Ay;
ich3=AngleAx; //此处可发送6个数据至上位机，需要发送什么数据在此处修改即可
ich4=AngleAy;
ich5=0;
ich6=0;
//**************将速度参数加载至PWM模块*************************************************
PWM0=(1000-YM*4+speed0);
if(PWM0>1000){PWM0=1000;} //速度参数控制，防止超过PWM参数范围0-1000
else if(PWM0<0){PWM0=0;}
PWM1=(1000-YM*4+speed1);
if(PWM1>1000){PWM1=1000;}
else if(PWM1<0){PWM1=0;}
PWM2=(1000-YM*4+speed2);
if(PWM2>1000){PWM2=1000;}
else if(PWM2<0){PWM2=0;}
PWM3=(1000-YM*4+speed3);
if(PWM3>1000){PWM3=1000;}
else if(PWM3<0){PWM3=0;}
if(YM>=10)
{PWM(PWM1,PWM2,PWM0,PWM3);}//1203
else
{PWM(1000,1000,1000,1000);}
}
void main()
{
PWMGO();//初始化PWM
IAPRead();//读取陀螺仪静差
InitMPU6050();//初始化MPU-6050
Usart_Init();//初始化串口
Time0_Init();//初始化定时器
RxBuf[1]=128;
RxBuf[2]=128;
RxBuf[3]=128;
RxBuf[4]=0;
while(1)
{
Delay(500);
nRF24L01_RxPacket(RxBuf);
if(RxBuf[5]==1&&i>128)
{
IAP_Gyro();
RxBuf[5]=0;
EA=0;
PWMCKS=0x10;
T2L = 0xEB;
T2H = 0xFF;
PWM(960,960,960,960);
Delay(60000); //校准完毕滴一声
PWM(1000,1000,1000,1000);
PWMCKS=0x00;
EA=1;
i=0;
}
if(RxBuf[6]==1&&i>128)
{
IAP_Angle();
RxBuf[6]=0;
EA=0;
PWMCKS=0x10;
T2L = 0xEB;
T2H = 0xFF;
PWM(960,960,960,960);
Delay(60000); //校准完毕滴一声
PWM(1000,1000,1000,1000);
PWMCKS=0x00;
EA=1;
i=0;
}
//Send(ich1,ich2,ich3,ich4,ich5,ich6); //串口发送数据如需连接上位机，须取消注释本句！！！注释本句是为了减小遥控延时
}
}