長江大學(xué)電子信息學(xué)院 鄧其龍 朱耀鐘

前言

近年來，四旋翼無人飛行器日益受到了研究人員的關(guān)注。由于四旋翼無人飛行器具有垂直起降、可攜帶遠程設(shè)備、控制靈活等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于影視、消防、農(nóng)業(yè)、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域。

本研究在當前的四旋翼無人飛行器控制理論與技術(shù)基礎(chǔ)上，選用意法半導(dǎo)體的32位STM32系列微處理器，采用數(shù)字三軸陀螺儀MPU6050等傳感器設(shè)計了硬件系統(tǒng)，利用仿真工具MATLAB設(shè)計了非線性控制器-模糊PID控制器，并在此基礎(chǔ)上搭建了硬件實驗平臺，最終完成了預(yù)期設(shè)計目標。

1 系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)框架

1.1 四旋翼飛行器工作原理

四旋翼無人飛行器使用四個獨立的無刷電機作為系統(tǒng)的動力系統(tǒng)，四個電機分別安裝在十字機架的四個頂端位置，把同一對角線上的兩個電機分為一組，當旋翼1和旋翼3逆時針旋轉(zhuǎn)時，可以產(chǎn)生逆時針方向的扭矩；當旋翼2和旋翼4順時針旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的扭矩是順時針方向，這樣四個電機的反扭矩會被相互抵消，因此通過控制四個電機的轉(zhuǎn)速就能控制四旋翼無人飛行器的飛行姿態(tài)。其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。四旋翼飛行器在三維空間內(nèi)共有六個自由度，飛行器的飛行狀態(tài)主要包括垂直運動、俯仰飛行、橫滾飛行以及偏航飛行。

圖1 四旋翼無人飛行器結(jié)構(gòu)圖

1.2 控制系統(tǒng)總體框架

四旋翼無人飛行器的飛行控制系統(tǒng)由傳感器、MCU、電調(diào)和電源四大部分組成。傳感器用來測量四旋翼無人飛行器飛行時與姿態(tài)有關(guān)的數(shù)據(jù)，主控制器根據(jù)這些數(shù)據(jù)、內(nèi)置狀態(tài)和地面遙控指令進行綜合分析處理 ，然后輸出4路 PWM脈沖控制電調(diào)從而改變電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)預(yù)期的飛行姿態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計采用意法半導(dǎo)體的STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的主控制器，高達72MHz主頻，具備DMA單元,有多達24路的PWM輸出和12位高精度ADC。它主要負責傳感器數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，姿態(tài)解算算法，PID算法以及遙控信號的解碼用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)和命令。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 傳感器模塊

四旋翼無人飛行器的飛行姿態(tài)可以用6個物理量表示，即三維坐標中的3個位置量和沿3個軸的姿態(tài)量，稱為六自由度。陀螺儀的作用是測量四旋翼飛行器的角速率，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中非常重要，陀螺儀選型的依據(jù)是精度和穩(wěn)定性。選用應(yīng)美盛公司的MPU6050，MPU6050整合了3軸陀螺儀、3軸加速器計。MPU6050的角速度全格感測范圍設(shè)定為±250/sec(dps)，可準確追蹤快、慢速動作，該傳感器傳輸可透過最高至400kHz的I2C接口，可以精確采集四旋翼飛行器3個方向的角速率和線加速度。由于導(dǎo)航參數(shù)會隨傳感器的測量誤差積累而發(fā)散，因此在慣性導(dǎo)航算法中不能長時間自主飛行，故選用霍尼韋爾公司的三軸式數(shù)字羅盤HMC5883校準慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)，HMC5883采用I2C通信協(xié)議，無需額外的轉(zhuǎn)換電路即可和STM32的硬件I2C接口通信。

2.2 無線通信模塊

無線通信模塊是四旋翼無人飛行器和地面遙控通信的橋梁。本研究要求的無線傳輸距離小于100m。利用nRF24L01+進行無線通信，它是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。通過SPI接口與MCU連接，速率0～8Mbps，支持2Mbps、1Mbps和250kbps傳輸速率，支持自動應(yīng)答及自動重發(fā)，內(nèi)置地址及CRC數(shù)據(jù)校驗?zāi)９δ?。使用方便，?00m之內(nèi)傳輸穩(wěn)定可靠。最終可實現(xiàn)遙控裝置與飛行控制器的通信要求。

2.3 電機控制模塊

本研究采用自主開發(fā)的電調(diào)控制無刷電機。STM32輸出PWM脈沖信號控制電調(diào)，對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，從而控制飛行姿態(tài)?？刂品绞綖檎{(diào)整輸出PWM周期為10ms，停車為1ms高電平，最大油門值為2ms高電平。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

四旋翼無人飛行器是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)，它具有4輸入6輸出。由于四旋翼無人飛行器對稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得四軸在俯仰角的控制與橫滾角的控制上有著近乎相同的控制特性，且兩者相對獨立。四軸飛行器的俯仰，橫滾，偏航，升降可以通過四個輸入量來控制。飛行控制系統(tǒng)微處理器主要完成各個模塊的初始化、系統(tǒng)自檢、解算傳感器數(shù)據(jù)、遙控信息解算、執(zhí)行控制算法、計算并輸出控制量等功能。通過信號量和消息隊列實現(xiàn)了各任務(wù)間數(shù)據(jù)的相互交換和同步。

4 結(jié)束語

本研究用STM32單片機作為系統(tǒng)的控制器，利用Mat l ab模糊工具箱設(shè)計了模糊PID控制器，并給出了基于STM32單片機的四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計方案，通過實際搭建硬件測試平臺，達到了預(yù)期的設(shè)計目標。

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