前言

• 报名参与了立创EDA和芯源半导体合作的训练营项目，计划开发一款基于芯源CW32系列芯片的4轴无人机，促进国产芯片的应用
• 该开源工程曾于2022年首次发布，但由于学业繁忙而未完善，此次更新后再次发布
• 后续依然会继续优化该工程，敬请期待
• 该开源工程的部分内容已纳入个人毕业论文，望读者知悉

 

开发记录

2022.XX.XX：

① 设计 硬件电路 & PCB

② 开发 MPU6050驱动

③ 初步移植 开源飞控算法，编写飞控程序

 

2022.XX.XX：

① 接入 匿名上位机，呈现 姿态数据

 

2022.XX.XX：
① 改进 & 优化 飞控程序，实现 基础飞行控制
② 调整 PID参数，减少飞行时的漂移和抖动

 

2022.XX.XX：
① 设计 机架结构件 & 电池仓结构件
② 开发 BMP280驱动

2022.XX.XX：
① 开发 CW32无人机控制软件(基于QT)，发行版本 V1.1

2023.04.15：
① 公开 飞控程序源码
② 公开 CW32无人机控制软件 V1.1
③ 公开 结构件设计文件

 

概述

 

CW32无人机

• 一款 基于CW32F030C8T6的 四轴无人机
• 配备 MPU6050 & BMP280传感器
• 通过 ESP-01模组 实现 WiFi通信(TCP协议)
• 移植 开源飞控算法(双闭环PID)

 

 

CW32无人机控制软件

• 基于QT框架开发，可实时操控并监测无人机

 

 

1 CW32无人机飞控电路设计

 

 

MCU

• CW32F030C8T6，封装规格 LQFP48，供电电压 3.3V
• 外接 8MHz 贴片晶振 & Reset按键

 

供电

• 3.7V 1S 400mAh锂电池，尺寸 37mm×20mm×8.8mm，2mm 1×2P 51005接口
• 3.7V电源开关 & 稳压
• 3.7V → 5V 升压
• 5V → 3.3V 降压

 

传感器

• MPU6050姿态传感器，可输出 3轴加速度 & 3轴角速度 & 温度数据，硬件IIC通信
• BMP280高度传感器，可输出 气压 & 温度数据，硬件IIC通信

 

WiFi通信

• ESP-01模组，无线传输 采用 TCP协议
• 通过 2×4PIN排座 接入飞控电路板，实现 3.3V供电 & 串口通信(ESP-01模组 ↔ 飞控电路板)

 

电机调速

• 4颗 8520空心杯电机(搭配 65mm正反桨叶)，3.7V供电，4路 PWM信号 控制
• 3.7V锂电池 电压测量

 

声光指示

• 1颗 3.3V电源指示灯(R)
• 2颗 可编程信号指示灯(B)
• 4颗 WS2812B灯珠(RGB)，1路 PWM信号 控制色彩
• 1颗 蜂鸣器，1路 PWM信号 调节音量

 

烧录调试

• SWD接口，1×4PIN排针，用于 程序烧录
• UART接口，1×4PIN排针，用于 串口通信(飞控电路板 ↔ PC)

 

2 CW32无人机飞控程序设计

 

2.1 基础配置

 

系统时钟

• 64MHz，HSE使能 8MHz外部晶振，8倍频
• 使能 GPIOA & GPIOB & IIC1 & BTIM & GTIM3 & ATIM & UART & ADC时钟

 

UART3_Local

• 飞控电路板 ↔ PC，波特率 115200，数据位 8，停止位 1，校验位 No
• PA09引脚 - UART3_TX - OUTPUT_PP，PA10引脚 - UART3_RX - INPUT_PULLUP

 

UART2_WiFi

• ESP-01模组 ↔ 飞控电路板，波特率 115200，数据位 8，停止位 1，校验位 No
• PA02引脚 - UART2_TX - OUTPUT_PP，PA03引脚 - UART2_RX - INPUT_PULLUP

 

硬件IIC

• PB10引脚 - SCL，PB11引脚 - SDA，通信速率 400Kbps
• 主机 CW32F030C8T6，从机 MPU6050 / BMP280

 

PWM

• 电机M1 - PA08引脚 - ATIM_CH1A通道 - 周期 0.5ms - 计数范围 [0, 999]
• 电机M2 - PA11引脚 - GTIM3_CH3通道 - 周期 0.5ms - 计数范围 [0, 999]
• 电机M3 - PB07引脚 - ATIM_CH3A通道 - 周期 0.5ms - 计数范围 [0, 999]
• 电机M4 - PB06引脚 - ATIM_CH2A通道 - 周期 0.5ms - 计数范围 [0, 999]
• 蜂鸣器   - PA12引脚 - GTIM3_CH4通道 - 周期 0.5ms - 计数范围 [0, 999]

 

BTIM1中断

• 用于执行 核心任务(传感器数据获取 & 欧拉角更新 & 飞行控制 & 状态监测)
• 触发间隔 3ms，计数范围[0, 5999]，BTIM_IT_OV标志，优先级 1

 

UART2中断

• 用于接收 & 返送 & 解析 飞控指令
• 串口接收触发，USART_IT_RC标志，优先级 0

 

ADC

• 用于测量 3.7V锂电池电压
• PA04引脚 - ADC_ExInputCH4通道 - 1.5V参考值 - 单通道转换模式

 

2.2 驱动开发

 

MPU6050驱动

• 硬件IIC通信，写地址 0xD0，读地址 0xD1，陀螺仪 ±2000deg/s，加速度计 ±4g
• 采集 原始数据 → 卡尔曼滤波 → 输出 3轴加速度值 & 3轴角速度值 & 温度值
• 数据波形(匿名上位机)

 

• 姿态显示(匿名上位机)

 

BMP280驱动

• 硬件IIC通信，写地址 0xEE，读地址 0xEF
• 读取 出厂校准参数 → 采集 原始数据 → 计算 气压值 & 温度值 → 测算输出 相对高度
• Hypsometric Formula 高度测算公式

 

• 数据波形(匿名上位机)

 

2.3 开源飞控算法移植

 

姿态控制

• 双闭环PID结构，内环 角速度，外环 角度
• 独立控制 横滚角 ROLL、俯仰角 PITCH、偏航角 YAW

 

 

高度控制

• 双闭环PID结构，内环 Z轴加速度，外环 高度

 

 

3 CW32无人机结构件设计

 

3.1 机架

 

 

 

 

• 4个 电机臂 固定 4颗 8520电机
• 4个 M3通孔 固定 飞控电路板

 

3.2 电池仓

 

 

 

 

• 配合 机架，以卡扣方式固定 锂电池

 

4 CW32无人机控制软件设计

 

 

• 使用 C++语言，基于 QT框架开发，已发布 Windows版 V1.1
• 基于TCP协议的 WiFi通信，控制软件 - TCP服务端，无人机 - TCP客户端
• 键盘按键 操作 升力控制、航向角 & 俯仰角 & 横滚角控制
• 鼠标左键 操作 紧急制动 & 定高悬停 & 垂直降落
• 实时显示 机体温度 & 电池电压 & 连接状态 & 飞行日志

 

4.1 飞行控制逻辑

 

 

4.2 状态监测逻辑

 

 

5 装配 & 测试

 

5.1 无人机整体组装

 

 

 

 

5.2 实际测试

• 方案验证OK，参见 附件 - 阶段2测试视频1.mp4
• 起飞动力 350~450(最高 1000)，无明显抖动，但仍需优化 PID参数

 

操作说明

① 无人机 水平放置，打开 电源开关
② PC端 运行 CW32 Drone V1.1软件，设置 IP地址 & 端口号，点击“启动”按钮
③ 提示 无人机连接成功， 键鼠操作 控制 无人机，实时显示 状态信息 & 飞行日志

 

后记

• 后续 整理 & 公开 接入BMP280传感器定高的 飞控程序 & 控制软件
• 后续 优化 机架 & 电池仓结构设计
• 感谢 武汉芯源半导体 提供的技术支持和赞助 ❤，近期官方推出了 CW32开发者扶持计划，感兴趣的小伙伴可以关注 官方公众号“CW32生态社区”& 官方QQ群 482146847
• 感谢 立创EDA 提供的设计平台和元器件支持 ❤