无人机基础知识-组成-飞行控制器—主控MCU

飞行器控制器——主控MCU

什么是飞控

飞控是多旋翼飞行器的灵魂。那么什么是飞控呢？飞控就是飞行器的电子控制部分，全称为飞行控制器，英文Flight Controller，简写为FC。飞控主要包括主控处理器MCU和惯性导航模块（传感器部分）。

四轴飞行器相对于直升机等航模，最复杂的就是电子部分。可以和固定翼以及直升机比较一下。在常规固定翼航模上，陀螺仪并非常用器件。相对操控难度大点的直升级航模，如果不做自动稳定系统，也只是锁尾才用到陀螺仪。四轴飞行器则必须配备陀螺仪，这是最基本要求，不然无法飞行，更谈不上飞稳了。不但要有，还得是3个维度都得有，这是四轴飞行器的机械结构、动力组成特性决定的。在此基础上再辅以3轴加速度传感器，这6个自由度，就组成了飞行姿态稳定的基本部分，也是关键核心部分惯性导航模块，简称IMU。飞行中的姿态感测全靠这个IMU了，可见它是整架模型的核心部件。

IMU感知飞行器在空中的姿态，将数据送给主控处理器MCU。主控处理器MCU将根据用户操作的指令，以及IMU数据，通过飞行算法控制飞行器的稳定运行。由于有大量的数据需要计算，而且需要实时性极高的控制，所以MCU的性能也决定了飞行器是否能够飞得足够稳定，灵活。

本篇文章只讲飞控的MCU部分，另外一篇文章讲解IMU部分内容。

主控MCU STM32

Crazepony的主控MCU选用的是意法半导体的STM32F103T8U6，为32位ARM Cortex-M内核，最高72MHz。

曾经在犹豫用TI的430系列单片机还是意法半导的STM32。那是在我大二的时候，从来没有接触过STM32，以前都是用51单片机和TI的msp430系列单片机。好吧，我承认了，我做Crazepony其实是就是为了学习STM32的，没有买过STM32相关的开发板，就这么简单粗暴大刀阔斧的开始了我的STM32之旅…

最终选择用STM32当然还有其他原因，TI公司的MSP430系列都是基于低功耗在做文章，作为移动消费电子，对电源续航能力要求比较高的场合比较适用。


之所以选择STM32F103T8U6作为Crazepony的主控芯片。首先因为他是crotex-M3内核，继承了ARM的优良性能，主频能跑到72MHz，3个通用定时器，1个高级定时器，7通道DMA控制器，而且总线接口资源丰富；其次是因为它VFQFPN36的封装，只有6mm*6mm的占地面积,对这个寸土寸金的项目来说简直太赞了。这么高的性价比，当然让我选择了他作为主控。72MHz虽然生不了孩纸，但是足以处理除了图像之外的大部分任务了。

主控选型需要考虑的问题

CamelGo上面说的选用了STM32F103作为主控MCU比较随意，其实真正在选型时候，有很多问题是需要我们考虑的，下面列举出几个最常见的问题。

• 首先是MCU的性能，最重要的指标就是主频。这直接决定MCU计算的快慢。四轴飞行器有很多来自IMU的数据需要处理，而且还有复杂的控制算法，如果MCU的性能不够，那么将直接限制飞控只能够处于一个比较初级的阶段，无法完成更加复杂的功能和精准的控制；
• MCU的接口也很重要。MCU是整个四轴飞行器的大脑，几乎所有的数据都要连接到它上面。例如I2C总线个数，DMA通道数目，GPIO数据等等；
• 正如博客中提到的，MCU的尺寸大小也是值得考虑的因素；
• 另外就是这个MCU的开发是否简单，技术资源的支持是否足够多。这对于一个DIY的开源四周飞行器也很重要；

综合了这些因素，我们选择了STM32这片MCU作为我们的主控MCU。我们也高兴的看到，很多国内国外的四轴爱好者也选择了这一片MCU。

STM32F系列的MCU基本上是现在主流飞控的首选。其选择也从原来的STM32F103到了性能更高的STM32F303。部分飞控甚至选用高性能型号STM32F403，例如PX4飞控。

• STM32F103：CC3D飞控/Naze32飞控/Crazepony四轴
• STM32F303：F3飞控
• STM32F403：CC3D Rev版本/APM飞控/PX4飞控

下图是从ST官网截取的STM32系列处理器的定位图。横轴为所使用的ARM内核，纵轴为性能定位。红色圈出的处理器，为现在飞控所使用。

关于ARM Cortex-M

由于STM32使用的是ARM Cortex-M架构，所以这里有必要做一点ARM Cortex的普及。

ARM公司在经典处理器ARM11架构之后，为了给不同需求的CPU厂商提供服务，之后的内核架构命名都改为Cortex，并分成了A,R,M三类,也即将ARM的三个字母拆分为三个架构的名，代表着不同的发展方向：

• A系列处理器可托管丰富的OS平台和应用商提供全方位的解决方案，诸如手机、数字电视、机顶盒、打印机、服务器等。
• R系列为实时处理器，要求可靠性、可用性、可维护性和实时响应的嵌入式系统提供解决方案。
• M系列是一系列可向上兼容的高效能、易于使用的处理器，这些处理器旨在帮助开发者满足将来嵌入式的需要，这些需要包括低成本、不断增加的连接、代码改善移植等。M系列主要应用在智能测量、人机接口设备、汽车电子、工业控制、大型家电等。

我们的STM32F103使用的Cortex-M3内核，就属于ARM的M系列，主要针对嵌入式产品需求而设计的。下面是一张Cortex-M3的内核架构图。