块，采用SPI通信协议实现与控制芯片的信息交换。其原理图如图4.5所示。
4.2 驱动程序功能及设计
硬件设备需要软件驱动才能拥有“灵魂”，本部分将附上各个模块的初始化函数库，因为论文篇幅有限，STM32的函数库，读者可以在工程中找到，笔者只给出调用的函数名。
4.2.1 最小系统板初始化
最小系统板配置包括库函数引导，锁相环时钟配置，GPIO配置等，详细的参数配置详见程序注释。RCC配置如图4.6所示。
4.2.2 MPU6050初始化
MPU6050采用IIC通信协议通信，其配置流程如图4.7所示。 三部分的程序比较多，详细配置可查阅附录代码。
4.2.3 NRF24L01初始化
NRF24L01模块采用的是SPI通信协议，SPI和IIC都是基于串行数据总线通信的协议，配置起来有许多相似的地方。配置函数如图4.8所示。NRF24L01实现遥控按键值与微控制器的指令交换，所有的控制命令和控制参数都可以通过NRF24L01来传递。选择NRF是因为该模块通信距离远，通信速率快且频段在2.4GHz。在市面上已经相当成熟。价格也不高。
4.2.4 空心杯电机驱动初始化
空心杯电机的转速通过调节PWM的占空比来实现，设定的频率为10K，100%占空比输出值为2000，采用定时器2作为PWM时钟，四旋翼飞行器一共用到4路PWM分别驱动4个空心杯电机。选择PWM频率根据电机的特性来觉得，10K是一个理想的频率值，在此频率下，电机线性度良好，振动及噪声也相对要小很多。详细的PWM配置见图4.9。
四旋翼飞行器最终的PCB图如图4.10所示，实拍图如图4.11所示。
5 四旋翼飞行器控制算法实现
控制算法单独设成一章，足见控制算法的重要性，控制算法是一个机器的灵魂，本章将探讨四旋翼飞行器的控制算法。
5.1角度及角速度数据处理算法
MPU6050通过IIC传输回来的数据需要由字符型转换位short型，应用STM32F103微控制器的一个好处是从short型到float型无需强制装换，芯片内部自行转换。认识到采集回来的数据类型是字符型，在数据处理时能少走许多弯路，详细问题解决笔者将在调试篇讲到。
5.1.1 互补滤波器可行性分析
IIC采集回来的倾角数据是有噪声的，如图5.1所示。在应用之前需要进行数字滤波。数字滤波器有很多种，因为熟悉互补滤波器，笔者在本设计中采用了互补滤波器来进行数字滤波。互补滤波的原理框图如图5.2所示。
有互补滤波器的原理图，可以得出如（2）式所示的互补滤波器的数学模型，将互补滤波器拆分成两部分，加号左边构成高通滤波器，右边构成低通滤波器。可以从陀螺仪和加速度计的物理特性来理解。
陀螺仪反映的是角速度，高频运动它的反应更灵敏而低频情况下，陀螺仪几乎没有值输出，这样的特性确定陀螺仪可以用作高通滤波器。
同理，加速度计在低频运动时输出最灵敏而到高频时输出灵敏度降低，具有低通滤波器的特性，故可以将加速度计视为低通滤波器。
由此将两者特性结合起来应用，可以满足滤除四旋翼飞行器倾角信号噪声的缺点，还原飞行器真实的角度。由此论证互补滤波器在理论上是可行的。
5.1.2 互补滤波器算法软件实现
由互补滤波器原理框图，可以得出得到如图5.3所示的算法。在程序中已经做了详细的注释，此处不再重复。参数整定将在调试部分讲解。
5.2姿态控制算法
四旋翼飞行器要稳定悬空飞行，需要稳定的控制算法。笔者在本设计中采用经典的PID控制算法来完成飞行器的姿态控制。
5.2.1 PID控制算法可行性分析
PID控制算法是比例、积分、微分、的第一个字母的大写构成的算法，分为位置式PID和增量式PID。在自动控制理论课中证明过PID控制的诸多优点，笔者选择PID除了能从书本上的证明论证可行性之外，还从飞行器自身的特性来考虑。由于论文篇幅有限，
此时不再引申课本上论述PID可行性的例子而是通过笔者自身的理解来论证可行性。
首先，四旋翼飞行器通过互补滤波得到一个较真实的角度值，同时，还有在每个方向上都具有一个角速度值，从实验的波形可以发现，陀螺仪输出的角速度是超前于角加速度的；其次，联系PID中的D，微分也具有一个超前预测变化趋势的作用，由此笔者想到了应用陀螺仪的值乘以一个系数Kd得到PID中的D。
然后，角度值与机体的角度看似呈线性变化的，联系PID中的比例分量，两者用着共同的物理意义，由此可以将角度值乘以一个Kp得到比例分量。
最后是积分分量，是否加积分量需要看前面的PD控制是否能满足四旋翼飞行器的自平衡，如果PD调节达到上限，系统还有静态偏差时，则加入积分加以修正。
在数学建模中常用类比的思想，总结出模型共同的物理特性，用已知的数学模型来替代未知的模型，再结合实际调试，总有得到真理的时候。最后的结论是：PID可以满足四旋翼飞行器的平衡控制。
5.2.2 PID控制算法软件实现
如（3）式所示，PID控制器的微分方程，为了方便编程，需要将微分方程转化成如（4）式所示的位置式PID或（5）式所示的增量式PID。本系统应用的是PID模型是根据硬件特性类比PID算法得出的控制算法，在编程上有一定的共同之处。 目前程序中只用到了PID，其框图如图5.4所示。
通过上述互补滤波得出的角度值与外部给定的角度值作差，得到偏差角度乘上比例系数nP加上nD乘以陀螺仪测回的角速度值，得到空心杯电机的PWM值。其编程语句如图5.5所示。
5.2.3 多维度控制量输出融合算法
四旋翼飞行器坐标系如图5.6所示，如果将X-Y轴的控制量输出进行分解，每个电机将得到两个轴的PWM。分解成X-Y轴后在程序中分开处理XY轴，解析出控制量后，最进行输出量融合。这样的方式能使四旋翼飞行器在XY平面内360°的倾角都有电机输出响应。
多维度角度融合算法软件实现如图5.7所示。 CCR1_Val是PWM设定寄存器，通过改变其大小，可以改变电机的转速。每个电机在XY坐标系能分别得到Speed_Out_x_x的控制分量，相关的输出值符号，需要注意，调试部分将在第六章讲到。
在所有的角度控制子程序中，所有的变量都是float型在，其它的子程序用到的变量声明可在附录A部分代码中查阅，此处不再重复说明。
本章介绍了互补滤波器的原理及可行性分析并根据笔者的理解，分享了对PID的算法的应用心得，最后介绍了多维度控制量输出算法的原理及软件实现。其中讲到相似数学模型类比的思想，在PD控制器中，可以将P理解成提供拉力的弹簧器，而D可以理解成提
供阻力的阻尼器，在调节飞行器姿态时，P过大会振荡，过小则反应滞后，如何找到一个合适的参数，需要一个漫长的调试过程。
6 四旋翼飞行器综合调试
6.1基本功能实现
基本功能是飞行器飞行的基础，如果调试不好，飞行器后续的飞行动作将很难实现，本部分将介绍姿态角度数据采集、飞行器遥控调试、空心杯电机多维度矢量输出的调试心得。
6.1.1 姿态角度数据采集功能
MPU6050通过IIC协议读写数据，该芯片能提供9自由度的输出量，在飞行器中，只用到了XYZ三轴的6自由度输出量。读取MPU6050需要先对芯片控制寄存器写入控制字，设定工作模式后，才能从存储相应轴数据的寄存器读取测量值。初始化及读取数据的函数如图6.1所示。
数据读取子程序Short getdata（uint8_t Addr）在刚开始编程时定义函数数据类型为：uint16 getdata(uint8_t Addr) ，多走了不少弯路，按照常理来看，这样定义似乎没有问题，但是这样定义的数据类型采集回来的数据转换成浮点型后，通过虚拟示波器看，是一个跳跃的量，当数值达到上限，数据从正最大值跳变到负的最大值。查阅了相关资料，发现在STM32系列芯片中，数据转换不需加强制转换符且字符型转换成short型后，可以向更高一级的数据类型转换运算。经过一番艰苦的专研后，完美的数据被采集回来如图6.2所示。 图中，方形的波形是加速度计的波形，尖波波形的是陀螺仪的波形。
6.1.2 四旋翼飞行器遥控功能
NRF24L01与控制器应用SPI协议进行通讯，初始化程序及通讯的相关子程序比较多，故附在附录A部分代码中，本部分主要讲调试的过程中遇到的问题及解决方案。
在调试无线通信过程中，笔者遇到的问题是空心杯电机带桨叶中速运行后，无线模块完全接收不到外部给的任何信息，而电机不转或者不带桨叶的情况下，通信正常，速度也不受影响。
提出假设并实验验证，排查结果如下：
（1）最小系统板设计电磁兼容性差，高频信号影响了通信：NRF24L01通信频段为2.4GHZ，最小系统板上没有能达到该频段的器件，该假设不成立。
（2）PCB布的电机动力线太靠近NRF的IRQ端已致中断信号无法产生而不能正常通信：将靠近IRQ中断端的高频线全部用飞线替代，远离IRQ端，结果依然是电机运行时无法正常通信。
（3）四个电机同时带负载运行，导致电源电压拉低使NRF无法正常工作：做了额外的电源芯片并用第二块电池供电，通信完全正常。
由此得出的结论是：无法正常通信的原因是电源电源拉低后NRF无法正常工作，总结的经验是选购电池是应该选容量大的电池或者将NRF直接独立供电。选购NRF模块一