摘 要

本课题主要研究基于STM32的无人机飞行控制系统和图像传输方案的设计与开发，研究分为硬件设计与软件设计两部分。硬件设计包括：电源电路、USB接口、STM32f407VET6单片机最小系统、无刷电机驱动电路、USB转串口电路、NRF24L01无线通讯接口、OV7725摄像头接口、舵机接口、透传蓝牙接口、SWD仿真电路、OLED显示屏接口、六轴陀螺仪MPU6050接口。软件设计包括：无刷电机PWM调速驱动程序、UART驱动程序、NRF24L01驱动程序、舵机驱动程序、OLED驱动程序、MPU6050驱动程序、OV7725摄像头驱动程序、按键驱动程序、LED驱动程序、无人机飞行控制算法、上位机和下位机通讯协议算法、图像无线传输算法。

关键词：STM32；无人机；图像传输；无刷电机；OV7725；MPU6050；NRF24L01

Design and Development of UAV Flight Control System and Image Transmission Scheme Based on STM32

ABSTRACT

This topic mainly studies the design and development of UAV flight control system and image transmission scheme based on STM32. The research is divided into two parts: hardware design and software design. Hardware design includes: power supply circuit, USB interface, STM32f407VET6 MCU minimum system, brushless motor drive circuit, USB serial port circuit, NRF24L01 wireless communication interface, OV7725 camera interface, rudder interface, Bluetooth interface, SWD simulation circuit, OLED display interface, six-axis gyroscope MPU6050 interface. Software design includes: brushless motor PWM speed regulation driver, UART driver, NRF24L01 driver, steering driver, OLED driver, MPU6050 driver, OV7725 camera driver, key driver, LED driver, UAV flight control algorithm, host computer and slave computer communication protocol algorithm, image wireless transmission algorithm.

Key words: STM32;UAV;Image transmission;Brushless motor;OV7725;MPU6050; NRF24L01

目 录

1 绪论 1

1.1课题研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究的现状 1

1.3 本课题研究的内容 2

1.4 章节安排 3

2 基于STM32的无人机飞行控制系统和图像传输方案的硬件设计部分 4

2.1 硬件总体设计方案 4

2.2 硬件各模块设计方案 8

2.2.1电源电路设计 8

2.2.2 STM32最小系统的设计 9

2.2.3 SWD仿真接口 11

2.2.4 无刷电机驱动电路设计 12

2.2.5 MPU6050六轴陀螺仪电路的设计 13

2.2.6 NRF24L01无线模块的电路设计 13

2.2.7 OV7725摄像头模块电路设计 14

2.2.8 OLED显示电路设计 15

2.2.9 USB转串口电路设计 16

2.2.10 按键电路和LED电路 17

3 基于STM32的无人机飞行控制系统和图像传输方案的软件设计部分 19

3.1 软件总体方案设计 19

3.2 无人机飞行控制的软件设计方案 20

3.2.1 MPU6050驱动程序 21

3.2.2 无刷电机驱动程序 22

3.2.3 无人机姿态算法 22

3.2.4 无人机飞行控制算法 23

3.3 图像采集的软件设计方案 27

3.4 数据传输的软件设计方案 28

3.4.1 串口通讯的软件设计 28

3.4.2 NRF24L01无线通讯的软件设计 29

3.4.3 数据通讯协议 31

3.5 按键处理软件设计 34

3.6 显示处理软件设计 35

4 调试过程和实验结果 36

4.1 调试过程 36

4.1.1 硬件调试过程 36

4.1.2 软件调试过程 36

4.1.3 软硬件问题及解决办法 37

4.2 实验结果 38

结 论 43

致 谢 44

参考文献 45

1 绪论

1.1课题研究的目的和意义

随着航天技术的不断发展和成熟，四旋翼无人机以其低成本、体积小、对环境要求低、高性能、独特构造和飞行方式等特点被广泛应用于军事和民用。目前市场上，四旋翼无人机的飞控系统是集成在一个单独的设备内，这导致在以无人机为载体做进一步开发时，因为飞控从主控电路中独立出去，使得成本难以降低、结构也难以精简。

本课题研究的目的是，将无人机的所有功能全部整合到一个主控电路上，将原本依赖于无人机飞控装置才能实现的无人机飞行控制功能，由STM32结合六轴陀螺仪来实现，同时STM32还负责摄像头等外设的驱动、图像数据和命令的无线传输。相较于传统的多模块组装的无人机方案，本课题研究的基于STM32整合无人机所有功能的方案，有着以下几个优点：成本低、无人机组成系统精简、提高无人机的飞行算法更加容易、可移植性强、可以悬挂更多外设，功能更加灵活。

1.2 国内外研究的现状

国内的国防科技大学、美国的宾夕法尼亚大学、瑞士联邦科技研究所、澳大利亚国立大学对四旋翼飞行器的研究成果都非常丰富。

（1）国防科技大学将反步法和自抗扰控制法应用于四旋翼飞控：

国防科技大学是我国最早研究四旋翼飞行器的大学之一，在2004年，国防科技大学的机器人实验室开始做微小型四旋翼无人直升机的研究工作，他们使用反步法和自抗扰控制器算法先后设计与制作了两款样机，其中一款原型机的总重量为750g，最大长度为70cm，机身铝制材料，动力设备采用了DraganflyIII旋翼和瑞士Maxon电机(RE-max21)及自行设计的齿轮减速器装置（减速比为6：1）.而另一款则选用了重量轻且不易损坏的玻纤板材料组成，以及抗撞击性较强的10英寸GWS三叶正反桨为其螺旋桨。经过多次飞行试验从得到的视频中采集其飞行数据，进行进一步研究。此外，南京航空航天大学、哈尔滨工程大学、上海交通大学等也设计了研究平台进行理论分析及控制模块的设计并进行仿真，致力于将四旋翼无人机的发展推向一个新的阶段。

（2）美国宾西法尼亚大学的基于视觉反馈的飞行控制系统：