一颗MCU可以搞定无人机的电机驱动+飞控算法

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来源 | 嵌入式资讯精选

i.MX RT跨界处理器具有实时操作和应用处理器级的功能，其已经实际应用在智能交互、工厂自动化、智能支付终端、语音处理和语音识别等领域，这些应用场景已经足以证明i.MX RT的强大与广泛的适应性。除了前述的应用方向之外，今天小编再为大家介绍一个典型的应用场景——无人机。

玩无人机的小伙伴们都知道，四旋翼无人机的BLDC电调电机，通常需要单独的MCU进行控制，如果用更加节能的FOC控制方式，那么对MCU的性能要求就比较高。一般讲，这颗MCU除去控制电机外，还会处理一些其它事情并留有余量，所以生产无人机的厂商，大都喜欢用Cortex-M4的MCU来做FOC控制（NXP的高主频+硬件除法器的M0+也完全可以胜任），也就是四旋翼无人机需要四颗较高性能的MCU，来分别控制四个电机。
除此之外，还需要一个至少是Cortex-M4级别的MCU做飞控，它需要读取传感器数据、控制飞行姿态、完成通讯等任务。
所有这些控制和操作，现在用一颗i.MX RT就都可以搞定了。i.MX RT性能强悍，以Cortex-M7为内核，主频高达600MHz，片内512KB RAM，同时具有4组PWM模块、适合多电机模拟信号采样的ADC_ETC模块，及丰富灵活的通讯接口，所以搞定飞控+4个BLDC电机控制自然不在话下。
我们接触到很多使用i.MX RT做无人机的实例，下面为各位展示两个优秀的方案。


基于i.MX RT1052的飞行学习板
这是一个由ZLG技术研发中心设计的，“4个无刷电机FOC驱动 + 飞控算法”的单芯片解决方案，按竞赛级设计，有实力在无人机飞行大赛上争金夺银的！
其中的ZLG-Soar飞控软件库具有如下特点：

• 采用四元数互补滤波融合算法，和基于角速度环与角度环的串级PID姿态控制算法，在i.MX RT下控制频率可达2KHz（一般飞控频率为0.5KHz）。
  
• 支持自动校准功能，支持9轴或6轴IMU（惯量测量传感器）。
  
• 支持SBUS航模串口协议，适用于支持该协议的任意无线收发器。
  
• 支持常用的IIC/SPI/UART接口，可以扩展不同的传感器。
  
• 飞行学习板可以通过蓝牙模块，使用NXP的FreeMaster软件边飞边进行参数的调试。
  
• 提供的软件接口，可以让用户快速移植自己的飞控软件，或BetaFlight，ClenFlight，PX4，OpenPiliot，RaceFlight等软件。
  

下图是i.MX RT飞行学习板的真身！产品级软硬件设计，既可直接用于无人机，也可用于多电机FOC的应用评估，例如稳拍器、机器人、工业缝纫机等等。

下图则是i.MX RT飞行学习板的电路结构：

• 核心是i.MX RT1052跨界处理器；
  
• 外接4路功率模块，用无感FOC算法驱动4个无刷电机；
  
• 外扩IMU传感器和气压计，可同时运行飞行控制算法；
  
• 同时预留了4个油门脉冲接口，可外接飞行控制器，学习板仅作为“4无刷电机FOC驱动”使用。默认整机7-12V/16A，可根据需求修改。
  

i.MX RT飞行学习板，提供多种配套软件，包括：ZLG-FOC电机库、简易飞行控制算法、i.MX RT外设基础例程等。用户可快速搭建无人机产品，或其他多电机FOC的产品，例如稳拍器、机器人、工业缝纫机、IoT创新产品等等。
基于i.MX RT1052的开源AutoQuad飞控
这是一位网络牛人(姑且称他为老J)参加RT-Thread应用作品征集赛的一个作品。
AutoQuad是德国的一款老牌开源飞控（硬件闭源），其旨在提供稳定、动态飞行和自动驾驶功能的飞控控制器。
由于AutoQuad硬件闭源的特性，国内的玩家很少，但AutoQuad 的ukf算法“独步天下”，绝对是一绝。15年时老J自己做出了Autoquad的M4版本硬件，并可以运行官方源码。
2017年时他又将Autoquad移植到MDK环境下，并且将其RTOS替换为RT-Thread。后续玩这个玩了蛮久时间。他的体会是这个版本的AutoQuad由于UKF算法占用了很多CPU资源，使得整个系统CPU占用率太高，再者就是片内RAM资源捉襟见肘。
对于这个版本的AutoQuad目前有挺多模友想继续深入的开发，比如网名为“我的世界观”的网友，想将L1自适应控制算法加入到其中，但这个L1自适应算法也是极耗费CPU资源的。在这个背景下，老J开始着手了AutoQuad在i.MX RT1052上的实现，以期留出足够的资源来给模友们做深入开发，同时也借机熟悉下RT-Thread的3.x版本。
硬件板子目前基于野火1052 mini开发板，传感器是从马家买的现成模块，采用飞线的形式固定在开发板上(后期会重新设计一款小的适合飞控的板子)。

主控+传感器

全部的连接都使用飞线

完成后的效果


系统框图如下

本设计的特点是：

• 首先，作者对AutoQuad非常熟悉，已经清楚地看到了软件对CPU高性能，与对大容量RAM的要求。刚好i.MX RT可以在这两方面满足他的升级要求。
  
• 其次，作者使用了现成的实时操作系统——RT-Thread，及其RT-Thread在i.MX RT上的现成BSP，依托i.MX RT丰富的外设接口和RT-Thread提供的标准设备驱动框架，能够快速地移植整个软件系统到i.MX RT平台上。
  
• 第三，整个硬件环境尤其是主控板，采用了现成的野火开发板，省却了研究适配开发i.MX RT1052硬件平台的时间和精力。
  

NXP在i.MX RT105x上的方案
以上两个方案都是充分地利用了i.MX RT1052的高性能、多端口和方便开发的特性，用一颗MCU实现了以前需要4-5颗MCU，甚至更多MCU，才能实现的功能，大大地简化了硬件系统的复杂度，即降低了总体成本又缩小了系统的整体尺寸，同时减小了重量和功耗，进一步提高了无人机的性价比。
目前NXP还没有在i.MX RT上的专用无人机方案，在多电机应用方面，有一个单片i.MX RT同时驱动三个电机的机械臂方案，如下图所示：

接下来会通过摄像头实时自动地识别物体，再直接驱动机械臂执行动作，所有这些也将会通过i.MX RT实现。
i.MX RT电机控制第三方学习板预告
恩智浦有个MAPS学习评估板系列，是按照原来的TOWER板重新设计的，目前有广受客户欢迎的MAPS-DSC系列，同时支持双电机的伺服或步进。
如果需要评估i.MX RT的电机控制性能，除了官方发布的评估板之外，第三方合作伙伴正在建造中的MAPS-RT是个非常实用的评估板，不但支持伺服或步进电机，还可以支持工业中广泛使用的EtherCAT（与友商合作），值得期待。