有手就行，你也可以自己做无人机STM32F103四轴飞行机（开源）

贺兰石

有手就行，你也可以自己做无人机STM32F103四轴飞行机（开源）
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今天给大家说说一款完全开源的小四轴。
这款四轴面向的人群是电子相关专业（包括自动化、电气自动化、电子信息工程、计算机、测控等专业）的大学生，通过一个完整的四轴项目来学习贴片元器件的焊接、PCB设计软件AD的使用、电路基本知识、旋翼型无人机的基本原理、STM32单片机编程与基本使用、飞控算法的实现等。
///插播一条：我自己在今年年初录制了一套还比较系统的入门单片机教程，想要的同学找我拿就行了免費的，私信我就可以哦~点我头像黑色字体加我地球呺也能领取哦。最近比较闲，带做毕设，带学生参加省级或以上比赛///
正文开始：
据了解，目前大多数高校的电子专业的课程实训依然是焊接收音机等，单片机课程教的也是单片机，这已经不能满足学生的学习了，学生毕业之后进入企业，大多接触的是贴片元器件（功率器件除外），做产品的时候，硬件工程师必须要具备一定的调试能力，这就对焊接贴片元件的能力提出了要求，所以我们设计了这款四轴飞行器，使用0603、0805这样贴片元件，是练习焊接的好帮手，而且好处在于，焊接练习完了，还可以继续学习STM32,四轴原理，直到把这个四轴飞行器飞起来，在这个过程中，我们也有交流群和学习资料，供大家学习使用。
下面是RoboFly四轴飞行器的整体框图、原理图、pcb、实物图源代码的截图，先一睹为快，后面详细介绍。
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图1：RoboFly四轴飞行器整体框图
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图2：RoboFly四轴飞行器原理图
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图3：RoboFly四轴飞行器PCB图
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图4：RoboFly四轴飞行器PCB 3D俯图
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图5：RoboFly四轴飞行器PCB 3D侧视图
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图6：RoboFly四轴飞行器实物图
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图7：RoboFly四轴飞行器源代码截图
制作并开源这套小四轴的初衷有如下几点；
1、<span/>初学者需要一款价格低廉、软硬件资料完备、有技术支持的四轴学习平台；
2、<span/>以散件形式发售，电路板布局、元器件封装选型要方便焊接组装；
3、<span/>四轴所需元器件采购方便、靠谱，最好能提供一站式采购，避免过多邮费、采购周期长、采购到不合格元器件导致学习难以进展。
4、<span/>源代码要极其精简、方便入门者能够方便的学习，实现自己的代码；
5、<span/>保留一定扩展接口、方便用户自己进行扩展如定高、航迹、巡线等飞行功能。在学习完四轴飞行器之后，这个开源的四轴板子仍然可以作为一个STM32开发学习板使用；
RoboFly四轴的基本配置如下：
主控芯片：STM32F103C8T6
姿态检测：MPU6050
气压计： FBM320
无线芯片：SI24R1
供电方案：HT7750SA升压+XC6206稳压
灯光指示：1个电源指示LED、1个用户编程LED、4个单总线全彩RGB灯
电池：600mAh 20C 1S锂离子电池
电机：720空心杯
桨叶：55mm桨叶
桨叶保护罩：相邻轴距65mm
机架：PCB一体化机架
续航时间：10分钟
遥控距离：空旷50m
RoboFly四轴原理图各模块简单说明：
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STM32F103C8T6是ST在2007年发布的一款MCU，截止目前ST已经发布了速度高达400MHz的STM32H7 (这时候一定有人会说600MHz的事，我知道，不用提醒)，我自己也是用STM32F1,STM32F4,STN32F7都做过各种各样的四轴，但是这个开源的四轴我还是选择了STM32F103C8T6，主要从三点考虑，一是封装比较大，方便初学者焊接，二是价格低廉，学习成本比较低，三是网上有大量的资料供初学者学习使用。
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姿态传感器选择MPU6050，主要考虑的也是封装比较大，可以直接使用烙铁焊接，而且价格比较低，资料也很丰富。而且还自带DMP库，可以完成姿态结算后直接把姿态角输出给主控芯片。2016年我们的第一款四轴就是采用DMP库输出姿态角的。
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气压计使用的是FBM320,对于这款气压计，个人认为性能一般。但是优点就是这个封装和BMP280、SPL06的引脚都是兼容的，方便更换。但是小四轴上放气压计，有一个比较麻烦的地方就是要想办法排除桨叶的风对它的干扰。可以使用海绵等其他东西进行隔离。
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无线芯片用的是SI24R1，国产的，之所以用这个而不用NRF2401，是因为这个经过我测试，性能也是可以的，引脚完全兼容NRF2401，无线发射可以做到7dB，在发射和接收端都采用陶瓷天线的前提下，可以达到50m的通讯距离。如果加上AP，那达到100米应该没有问题。通过两个低成本的0欧姆电阻对电源进行了单点接地，防止电机回路的电流波动串进射频回路对射频造成干扰。
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对于供电方案中的先升压再降压的方案，这是我做第一款四轴飞行器的时候发现的，这种1S的锂离子电池，在四个空心杯进行供电的时候，如果四个空心杯电机不带桨叶，也就是说没有负载，那启动是没有问题的。但是如果四个空心杯都带上负载，瞬间提速到满速，就会瞬间把电池输出电压拉低到3V以下，经过我测试甚至低到了2.8V，这时候如果不升压，直接用电池给LDO供电，那LDO就会失效。所以通过升压再降压后给单片机系统供电是一个可行的方案。另一个方案就是在电机启动的时候采用缓慢启动的方式，这样电池的电压就不会瞬间被拉低，但是这样的一个不足之处就是无法让这个小四轴非常暴力，飞起来不够爽快。
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四个机臂上采用的RGBLED是串行单总线全彩灯，也就意味着只需要占用单片机的一个IO端口，就可以控制这四个灯发出各种各样的颜色。这个灯类似与WS2811,也是通过零一码来实现数据通讯，进而控制灯的颜色的。对于初学者而言，时序往往难以理解，而这个灯可以作为学习时序最简单的一个例程，虽然简单，但是却非常有趣。
因为小四轴的尺寸、重量等限制，这版四轴飞行器的电池最好不要超过600mAh，否则电池自身的重量就会成为最大的包袱。而太小的电池则不能提供较长时间的续航。总之我经过测试认为600 mAh容量应该是一个拐点。电池最好带保护板、有一定的安全性能。否则胀饱、失效事小，严重点在炸机的时候可能会爆炸。
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对于这个四轴最关键的一个组建—空心杯，说出来都是泪啊，做四轴两年，有一年的时间都在寻找合格的空心杯电机。2017年有一款四轴飞行器因为采购的电机侧向震动太大，导致桨叶转动之后产生很大的侧向震动、严重干扰了加速度计，使角度偏差很大，基本不能垂直飞行。一开始把问题锁定在MOS管上、陀螺仪上、原理图与PCB设计上都未能解决问题，后来对原始数据进行FFT变换后发现了干扰的频率点，这才确定是电机的侧向震动引起的。还有一种情况就是同一批次的电机性能差异很大，导致PID调节的输出差异很大，最终会影响MOS管的寿命、电机寿命。空心杯电机使用SI2302这款MOS管进行驱动，这是非常常见的一款MOS管，便宜又好用。但是市面上这个管子假货也比较多。很多人在电机驱动电路上加不加电容、加不加二极管有很大的争议，我经过测试发现，加上电容之后效果很好，而加上二极管的效果则一般。也可能是测试方式不够严谨，回头可以一起讨论这个问题。
桨叶选型一定要注意选择平衡性好的桨叶、做工有瑕疵的可能会影响平衡性，在飞行的时候，如果不平衡就会导致侧向震动。
初学者在调试四轴的时候，摔下来、失控是很常见的，所以加上桨叶保护罩之后，可以很大程度上减小桨叶、电机报废的概率。
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如果采用飞控板和机架隔离的方式，就能从一定程度上降低震动的影响，但是这样或许会增加重量及成本，所以我选择了PCB机架，这也是初学者最容易实现的一个方案，但不是唯一的方案。
四轴源码采用Keil MDK V5.20
STM32库使用的是标准库
四轴源代码工程创建方法可以参考我们最小系统板的课程，课程视频可以在公众号观看，下面的百度云链接中也提供了工程创建的PDF文件。
如果自己购买配件，电机，电机包护垫，电池，电阻电容，芯片，气压计，桨叶，pcb打板，手柄摇杆，下载器端子，这些得分别在10个店铺购买，这样，会导致两个问题，1自己选择会找到很多假货，次品，尤其电机芯片等，会导致飞不起来，不知道问题是硬件还是算法。2在不同店铺购买邮费下来总共也得不少，另外为了使邮费比例小，不得不多买配件，导致花费很多钱。

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hamycui

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