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开源STM32F103四轴飞行器全部

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发表于 2022-10-24 20:03:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
RoboFly是小马哥团队在2018年8月推出的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。
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。

开源STM32F103四轴飞行器全部-1.jpg

图1:RoboFly四轴飞行器整体框图

开源STM32F103四轴飞行器全部-2.jpg

图2:RoboFly四轴飞行器原理图

开源STM32F103四轴飞行器全部-3.jpg

图3:RoboFly四轴飞行器PCB图

开源STM32F103四轴飞行器全部-4.jpg

图4:RoboFly四轴飞行器PCB 3D俯图

开源STM32F103四轴飞行器全部-5.jpg

图5:RoboFly四轴飞行器PCB 3D侧视图

开源STM32F103四轴飞行器全部-6.jpg

图6:RoboFly四轴飞行器实物图

开源STM32F103四轴飞行器全部-7.jpg

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、 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、 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、 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、 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、 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:

开源STM32F103四轴飞行器全部-8.jpg
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。

开源STM32F103四轴飞行器全部-9.jpg
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。

开源STM32F103四轴飞行器全部-10.jpg
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。

开源STM32F103四轴飞行器全部-11.jpg
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。

开源STM32F103四轴飞行器全部-12.jpg

开源STM32F103四轴飞行器全部-13.jpg
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。

开源STM32F103四轴飞行器全部-14.jpg

开源STM32F103四轴飞行器全部-15.jpg
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。

开源STM32F103四轴飞行器全部-16.jpg
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。

开源STM32F103四轴飞行器全部-17.jpg
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。
百度云链接:https://pan.baidu.com/s/1lfUtSoQNWWocv4pBKpecmg 密码:bels

开源STM32F103四轴飞行器全部-18.jpg
链接中包括以下五个文件:
1、RoboFly_release V1.1.zip(PCB工程,使用AD09创建)
2、RoboFlyDEMO.zip(源代码工程,使用Keil MDK V5.20创建)
3、RoboFly四轴飞行器元件3D模型.zip(3D模型,使用Solidworks 2013创建)
4、Keil中STM32F1工程模板的搭建.pdf
5、RoboFly开源四轴交流群二维码.jpg
6、电子开发学习公众号二维码.jpg

请关注专栏:

其实这套四轴飞行器我们已经准备好了元器件套装,供大家购买练习焊接组装调试。
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。
我们配好整套的元件供学习,也有技术交流群。能极大的加速学习步骤。链接如下:
【小马哥RoboFly四轴STM32F103C8T6飞控DIY散件套件焊接练习预售】http://m.tb.cn/h.3hJrL96 点击链接,再选择浏览器咑閞;或復·制这段描述¥nJm9bUCIUIm¥后到 淘♂寳♀ [来自超级会员的分享]

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发表于 2022-10-24 20:13:57 | 显示全部楼层
我在想能不能做个ESP32的小四轴?那玩意儿性能好,而且还带蓝牙和wifi

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发表于 2022-10-24 20:28:30 | 显示全部楼层
我后续刚好也打算做呢,只需要加上电机驱动,电源管理,基本上就够了,需要开发一个基于esp32的四轴飞控固件,如果感兴趣的人多,我们可以组织成一个开源项目

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发表于 2022-10-24 20:39:22 | 显示全部楼层
ESP32 毕竟只带 WiFi,直接搞个 MTK 的 带 LTE 的 SoC ?这样4G都有了~

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发表于 2022-10-24 20:52:07 | 显示全部楼层
有没有微信群

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发表于 2022-10-24 20:57:20 | 显示全部楼层
小四轴要4G没用

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发表于 2022-10-24 21:12:18 | 显示全部楼层
有,公众号文章里可以找到

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发表于 2022-10-24 21:25:49 | 显示全部楼层
谢谢作者

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发表于 2022-10-24 21:31:27 | 显示全部楼层
我觉得还是把protel先扔掉...

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发表于 2022-10-24 21:40:18 | 显示全部楼层
工具只是实现目的手段,cadence,kicad,pads,都会用,对我而言,不同的项目选择不同的软件就行

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发表于 2022-10-24 21:47:53 | 显示全部楼层
讲真……这么小的四轴,气压计不加海绵不加隔震,真的飞不好

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发表于 2022-10-24 21:58:39 | 显示全部楼层
你好,百度云链接失效了,可以补发么

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发表于 2022-10-24 22:12:44 | 显示全部楼层
百度云链接失效了小马哥,能再发一次吗

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发表于 2022-10-24 22:20:38 | 显示全部楼层
有气压传感器的程序吗

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发表于 2022-10-24 22:30:20 | 显示全部楼层
换cadence

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发表于 2022-10-24 22:35:52 | 显示全部楼层
你好,可以重新发一下百度云链接吗?已经失效了。

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发表于 2022-10-24 22:43:43 | 显示全部楼层
https://pan.baidu.com/s/1xxeD4oq0JMoCqjaODeWRgQ 提取码:oyh3

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发表于 2022-10-24 22:55:04 | 显示全部楼层
收到,谢谢小马哥

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发表于 2022-10-24 23:00:42 | 显示全部楼层
气压传感器做什么用的

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