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EEDrone开源四旋翼第一代DIY制作(飞控主板+飞控IMU+飞控固件)

2017/06/09 16:09
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方案介绍

声明:该设计资料来源于网友eeworld-lb8820265的开源分享,仅供学习参考,不可用途商业用途。

         你是否也和我一样有这样的疑惑:论文中那么多四旋翼控制算法和姿态解算算法,为何在开源四旋翼平台中见不到?控制算法都是PID,姿态解算都是mahony和EKF。

        但现在四旋翼控制还存在很多问题,例如:抗干扰能力和鲁棒性有待继续提高,变重心变质量情况下的控制效果不佳,起飞不稳定,室内自主悬停控制不够理想,惯性导航和室内导航精度低等。可研究的内容还很多,任重而道远。会发现当仿真通过后,却找不到一个趁手的四旋翼平台进行验证。

目前适合研究的四旋翼平台:

Pixhawk功能强大,可扩展性好。但是也存在着如下的问题:

  • 1. 编译复杂,开发环境不是IDE,无法在线debug
  • 2. Nuttx操作系统复杂,而且实时性有待提高,传感器数据读取到最后控制输出的时间过长
  • 3. 很多代码用matlab生成,不利于阅读,没有利用F4的Dsp核,效率低下,且代码结构复 杂,不利于二次开发
  • 4. 数传速度低,只有1Hz,不能实时分析
  • 5. IMU没有减震,需要整个飞控加减震
  • 6. 修改程序到成功烧录过程繁琐,且不支持无线更新

大疆的M100和guidance是不错的开发平台,但是却主要用来开发视觉算法。控制算法和姿态解算给封装了。

其他:某宝上面的各种飞控,元器件性能低下,无操作系统,控制算法和姿态解算算法性能低,接口少,作为玩具还可以,作为科研那就呵呵了。Ascending Technologies公司的四旋翼开发平台倒是经常被各个科研院校和比赛使用,但是价格摆在那里。

因此越来越感受到拥有一个适合研究的四旋翼平台的重要性,无奈我个人的精力和能力有限,因此开贴聚拢志同道合的朋友共同学习,只有开源才能促进技术的进步。

初步设想的四旋翼具有如下的特点:

  • 1. 具有先进的控制和姿态解算算法
  • 2. 程序模块化设计,方便各种算法的实现
  • 3. 提供Matlab仿真和理论支持
  • 4. 高速数传,数据波形实时查看和分析
  • 5. 高性能MCU和IMU
  • 6. 优化代码,充分利用DSP核
  • 7. 支持无线更新
  • 8. 使用IDE编写、编译、调试和烧录
  • 9. 采用简单高效的操作系统,充分减少控制延时
  • 10. IMU放到有减震海绵的铝盒子里,接口形式可更换不同方案
  • 11. 提供多种常见接口,也提供以太网接口,方便连接机载电脑

根据我个人的优势和技术的特点,初步确定四旋翼软硬件如下:

MCU+GPS+IMU盒子方案一:

元器件             

型号
MCU STM32F746ZGT6
GPS+Mag 3DR GPS
Acc+Mag LSM303AGR
Gro L3GD20H
Acc+Gro LSM6DSM
气压计 LPS22HB

IMU盒子方案一全部采用ST最新的高性能元器件,有现成的驱动,和Pixhawk一样采用双陀螺仪加速度计冗余设计。MCU 采用高性能F746,可以运行复杂算法。 IMU盒子方案二:

元器件           型号
Acc ADXL354
Gro ADXRS642 ×3
气压计 MS5803

IMU盒子方案二采用ADI高性能惯性传感器和高性能气压计,满足更高性能需求。

飞控软件相关:

部分                

具体
操作系统 FreeRTOS
文件系统 FatFs
通信协议 Mavlink
开发环境 Keil+QT
协同工作 Github
开源协议 BSD3-clause

四旋翼飞控的主板,IMU,元器件和主控板第一代实物截图:

过一番探讨,决定第一版硬件采用三部分组成,核心版采用Nucleo F767,主板固定在机架上,IMU做成减震盒子。
主板上接口与硬件:PWM遥控接口,PPM遥控接口,8个电机控制接口,1个PWM用户接口,
3DR GPS的接口,SD卡接口,电源管理,Flash,三色LED灯,F450机架接口。
IMU上硬件与接口:LSM6DSM,LPS22HB,LSM303AGR,ICM20608,2W加热电阻,3.3V电源,14pin的排线接口。
IMU上采用了很多冗余器件,例如LSM6DSM与ICM20608功能重合,主要是为了测试性能。

说明:

EEDrone开源四旋翼从零开始详细的制作步骤,详见“相关文件”超链。

  • FMUv1-0.01.zip
    1下载
    描述:第一代飞控主板原理图+PCB源文件+BOM
  • Firmware-master.zip
    1下载
    描述:飞控固件
  • EEDrone开源四旋翼从零开始(制作讲解).txt
    1下载
    描述:制作讲解,详见原文超链
  • IMUv1-0.01.zip
    1下载
    描述:第一代飞控IMU原理图+PCB源文件+BOM

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