[转]四旋翼飞行器 - 基于stm32

时间：2014-12-18 16:36:43 阅读：350 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

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原文地址：http://www.cnblogs.com/moranBlogs/p/3684275.html

期待我也可以做出一个飞行器来！！

尝试制作这个四旋翼飞控的过程，感触颇多，整理了思绪之后，把重要的点一一记下来；

这个飞控是基于STM32，整合了MPU6050，即陀螺仪和重力加速计，但没有融合电子罗盘；

另外，四旋翼飞行器的运动方式请百度百科，不太复杂，具体不再赘述；

这是飞控程序的控制流程（一个执行周期）：

bubuko.com,布布扣

比较重要的地方：

1.i2c通信方式；

　　因为我不是学电类专业，最开始对i2c这些是没有一点概念，最后通过Google了解了一些原理，然后发现STM32的开发库是带有i2c通信的相关函数的，但是我最后还是没有用这些函数。

我通过GPIO模拟i2c,这样也能获得mpu6050的数据，虽然代码多了一些，但是比较好的理解i2c的原理。

　　STM32库实现的模拟i2c代码（注释好像因为编码问题跪了）：

/*******************************************************************************
// file                :    i2c_conf.h
// MCU                : STM32F103VET6
// IDE                : Keil uVision4
// date                £º2014.2.28
*******************************************************************************/
#include "stm32f10x.h"

#define   uchar unsigned char
#define   uint unsigned int

#define      FALSE 0  
#define   TRUE  1

void I2C_GPIO_Config(void);
void I2C_delay(void);
void delay5ms(void);
int I2C_Start(void);
void I2C_Stop(void);
void I2C_Ack(void);
void I2C_NoAck(void);
int I2C_WaitAck(void);
void I2C_SendByte(u8 SendByte);
unsigned char I2C_RadeByte(void);
int Single_Write(uchar SlaveAddress,uchar REG_Address,uchar REG_data);
unsigned char Single_Read(unsigned char SlaveAddress,unsigned char REG_Address);

/*******************************************************************************
// file                :  i2c_conf.c
// MCU                : STM32F103VET6
// IDE                : Keil uVision4
// date                £º2014.2.28
*******************************************************************************/

#include "i2c_conf.h"

#define SCL_H         GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_6       
#define SCL_L         GPIOB->BRR  = GPIO_Pin_6         
#define SDA_H         GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_7
#define SDA_L         GPIOB->BRR  = GPIO_Pin_7

#define SCL_read      GPIOB->IDR  & GPIO_Pin_6        //IDR:¶Ë¿ÚÊäÈë¼Ä´æÆ÷¡£
#define SDA_read      GPIOB->IDR  & GPIO_Pin_7

                     


void I2C_GPIO_Config(void)
{
  GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure; 
 
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GPIO_Pin_6;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;   //¿ªÂ©Êä³öÄ£Ê½
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GPIO_Pin_7;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}


void I2C_delay(void)
{
        
   int i=6; //ÕâÀï¿ÉÒÔÓÅ»¯ËÙ¶È    £¬¾²âÊÔ×îµÍµ½5»¹ÄÜÐ´Èë
   while(i) 
   { 
     i--; 
   }  
}

void delay5ms(void)
{
        
   int i=5000;  
   while(i) 
   { 
     i--; 
   }  
}


int I2C_Start(void)
{
    SDA_H;                                            //II2ÐÒé¹æ¶¨±ØÐëÔÚÊ±ÖÓÏßÎªµÍµçÆ½µÄÇ°ÌáÏÂ£¬²Å¿ÉÒÔÈÃ Êý¾ÝÏßÐÅºÅ¸Ä±ä
    SCL_H;
    I2C_delay();
    
    if(!SDA_read)
        return FALSE;                //SDAÏßÎªµÍµçÆ½Ôò×ÜÏßÃ¦,ÍË³ö
    SDA_L;                                
    
    I2C_delay();
    
    if(SDA_read) 
        return FALSE;                //SDAÏßÎª¸ßµçÆ½Ôò×ÜÏß³ö´í,ÍË³ö
    SDA_L;                                
    
    I2C_delay();                    
    
    return TRUE;
}



void I2C_Stop(void)
{
    SCL_L;
    I2C_delay();
    SDA_L;
    I2C_delay();
    
    SCL_H;
    I2C_delay();
    SDA_H;
    I2C_delay();
} 


void I2C_Ack(void)
{    
    SCL_L;
    I2C_delay();
    SDA_L;
    I2C_delay();
    SCL_H;
    I2C_delay();
    SCL_L;
    I2C_delay();
}   


void I2C_NoAck(void)
{    
    SCL_L;
    I2C_delay();
    SDA_H;
    I2C_delay();
    SCL_H;
    I2C_delay();
    SCL_L;
    I2C_delay();
} 



int I2C_WaitAck(void)      //·µ»ØÎª:=1ÓÐACK,  =0ÎÞACK
{
    SCL_L;
    I2C_delay();
    SDA_H;            
    I2C_delay();
    SCL_H;
    I2C_delay();
    if(SDA_read)
    {
      SCL_L;
      I2C_delay();
      return FALSE;
    }
    SCL_L;
    I2C_delay();
    return TRUE;
}




void I2C_SendByte(u8 SendByte) //Êý¾Ý´Ó¸ßÎ»µ½µÍÎ»//
{
    u8 i=8;
    while(i--)
    {
        SCL_L;
        I2C_delay();
            
      if(SendByte&0x80)        // 0x80 = 1000 0000;
        SDA_H;  
      else 
        SDA_L;   
            
        SendByte<<=1;   // SendByte×óÒÆÒ»Î»¡£
        I2C_delay();
            
                SCL_H;
        I2C_delay();
    }
    SCL_L;
}  




unsigned char I2C_RadeByte(void)  //Êý¾Ý´Ó¸ßÎ»µ½µÍÎ»//
{ 
    u8 i=8;
    u8 ReceiveByte=0;

    SDA_H;                
    while(i--)
    {
      ReceiveByte<<=1;      //×óÒÆÒ»Î»£¬
            
      SCL_L;
      I2C_delay();
            
            SCL_H;
      I2C_delay();    
            
      if(SDA_read)
      {
        ReceiveByte|=0x01; //Ð´Èë
      }
    }
    SCL_L;
    return ReceiveByte;
} 



int Single_Write(uchar SlaveAddress,uchar REG_Address,uchar REG_data)             
{
      if(!I2C_Start())
            return FALSE;
    I2C_SendByte(SlaveAddress);   //·¢ËÍÉè±¸µØÖ·+Ð´ÐÅºÅ    //I2C_SendByte(((REG_Address & 0x0700) >>7) | SlaveAddress & 0xFFFE);    //ÉèÖÃ¸ßÆðÊ¼µØÖ·+Æ÷¼þµØÖ· 
    
        if(!I2C_WaitAck())
        {
            I2C_Stop(); 
            return FALSE;
        }
    
        I2C_SendByte(REG_Address );   //ÉèÖÃµÍÆðÊ¼µØÖ·      
    I2C_WaitAck();    
    
        I2C_SendByte(REG_data);
    I2C_WaitAck();   
    
        I2C_Stop(); 
    delay5ms();
    return TRUE;
}



unsigned char Single_Read(unsigned char SlaveAddress,unsigned char REG_Address)
{   
    unsigned char REG_data; 

    
        if(!I2C_Start())
            return FALSE;
    I2C_SendByte(SlaveAddress); //I2C_SendByte(((REG_Address & 0x0700) >>7) | REG_Address & 0xFFFE);//ÉèÖÃ¸ßÆðÊ¼µØÖ·+Æ÷¼þµØÖ· 
    if(!I2C_WaitAck())
        {
            I2C_Stop();

            return FALSE;
        }
    I2C_SendByte((u8) REG_Address);   //ÉèÖÃµÍÆðÊ¼µØÖ·      
    I2C_WaitAck();
        I2C_Start();
    
        I2C_SendByte(SlaveAddress+1);
    I2C_WaitAck();

        REG_data= I2C_RadeByte();
    I2C_NoAck();
    I2C_Stop();

    return REG_data;

}

2.mpu6050;

　　然后用写好的模拟i2c函数读取mpu6050，根据mpu6050手册的各寄存器地址，读取到了重力加速计和陀螺仪的各分量;

传感器采样率设置为200Hz,这个值是因为我电调频率为200Hz，也就是说，我的程序循环一次0.005s,一般来说，采样率高点没问题，别比执行一次闭环控制的周期长就行了；

陀螺仪量程±2000°/s，加速计量程±2g，量程越大，取值越不精确；

这里注意，由于我们没有采用磁力计，而陀螺仪存在零偏，所以最终在yaw方向上没有绝对的参考系，不能建立绝对的地理坐标系，这样最好的结果也仅仅是在yaw上存在缓慢漂移。

3.互补滤波；

　　融合时，陀螺仪的积分运算很大程度上决定了飞行器的瞬时运动情况，而重力加速计通过长时间的累积不断矫正陀螺仪产生的误差，最终得到准确的机体姿态。

　　这里我们采用Madgwick提供的UpdateIMU算法来得到姿态角所对应的四元数，之后只需要经过简单运算便可转换为实时欧拉角。感谢Madgwick大大为开源做出的贡献。

 1 #define sampleFreq    512.0f        // sample frequency in Hz
 2 #define betaDef        0.1f        // 2 * proportional gain
 3 
 4 
 5 volatile float beta = betaDef;                                
 6 volatile float q0 = 1.0f, q1 = 0.0f, q2 = 0.0f, q3 = 0.0f;     
 7 
 8 float invSqrt(float x);
 9 
10 void MadgwickAHRSupdateIMU(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az) {
11     float recipNorm;
12     float s0, s1, s2, s3;
13     float qDot1, qDot2, qDot3, qDot4;
14     float _2q0, _2q1, _2q2, _2q3, _4q0, _4q1, _4q2 ,_8q1, _8q2, q0q0, q1q1, q2q2, q3q3;
15 
16     // Rate of change of quaternion from gyroscope
17     qDot1 = 0.5f * (-q1 * gx - q2 * gy - q3 * gz);
18     qDot2 = 0.5f * (q0 * gx + q2 * gz - q3 * gy);
19     qDot3 = 0.5f * (q0 * gy - q1 * gz + q3 * gx);
20     qDot4 = 0.5f * (q0 * gz + q1 * gy - q2 * gx);
21 
22     // Compute feedback only if accelerometer measurement valid (avoids NaN in accelerometer normalisation)
23     if(!((ax == 0.0f) && (ay == 0.0f) && (az == 0.0f))) {
24 
25         // Normalise accelerometer measurement
26         recipNorm = invSqrt(ax * ax + ay * ay + az * az);
27         ax *= recipNorm;
28         ay *= recipNorm;
29         az *= recipNorm;   
30 
31         // Auxiliary variables to avoid repeated arithmetic
32         _2q0 = 2.0f * q0;
33         _2q1 = 2.0f * q1;
34         _2q2 = 2.0f * q2;
35         _2q3 = 2.0f * q3;
36         _4q0 = 4.0f * q0;
37         _4q1 = 4.0f * q1;
38         _4q2 = 4.0f * q2;
39         _8q1 = 8.0f * q1;
40         _8q2 = 8.0f * q2;
41         q0q0 = q0 * q0;
42         q1q1 = q1 * q1;
43         q2q2 = q2 * q2;
44         q3q3 = q3 * q3;
45 
46         // Gradient decent algorithm corrective step
47         s0 = _4q0 * q2q2 + _2q2 * ax + _4q0 * q1q1 - _2q1 * ay;
48         s1 = _4q1 * q3q3 - _2q3 * ax + 4.0f * q0q0 * q1 - _2q0 * ay - _4q1 + _8q1 * q1q1 + _8q1 * q2q2 + _4q1 * az;
49         s2 = 4.0f * q0q0 * q2 + _2q0 * ax + _4q2 * q3q3 - _2q3 * ay - _4q2 + _8q2 * q1q1 + _8q2 * q2q2 + _4q2 * az;
50         s3 = 4.0f * q1q1 * q3 - _2q1 * ax + 4.0f * q2q2 * q3 - _2q2 * ay;
51         recipNorm = invSqrt(s0 * s0 + s1 * s1 + s2 * s2 + s3 * s3); // normalise step magnitude
52         s0 *= recipNorm;
53         s1 *= recipNorm;
54         s2 *= recipNorm;
55         s3 *= recipNorm;
56 
57         // Apply feedback step
58         qDot1 -= beta * s0;
59         qDot2 -= beta * s1;
60         qDot3 -= beta * s2;
61         qDot4 -= beta * s3;
62     }
63 
64     // Integrate rate of change of quaternion to yield quaternion
65     q0 += qDot1 * (1.0f / sampleFreq);
66     q1 += qDot2 * (1.0f / sampleFreq);
67     q2 += qDot3 * (1.0f / sampleFreq);
68     q3 += qDot4 * (1.0f / sampleFreq);
69 
70     // Normalise quaternion
71     recipNorm = invSqrt(q0 * q0 + q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3);
72     q0 *= recipNorm;
73     q1 *= recipNorm;
74     q2 *= recipNorm;
75     q3 *= recipNorm;
76 }
77 
78 
79 float invSqrt(float x) {
80     float halfx = 0.5f * x;
81     float y = x;
82     long i = *(long*)&y;
83     i = 0x5f3759df - (i>>1);
84     y = *(float*)&i;
85     y = y * (1.5f - (halfx * y * y));
86     return y;
87 }