李瑞，郭迎，張妮，胡曉霞，焦靈俠

（1.西安工商學(xué)院，陜西西安，710200；2.西安方元明科技有線公司，陜西西安，710065）

1 教學(xué)無人機(jī)設(shè)計理念

本文主要設(shè)計一款專供電子類專業(yè)的大學(xué)生學(xué)習(xí)，集硬件和軟件于一體的高性價比四旋翼無人機(jī)套件。通過針對無人機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、信號處理、信息傳輸、嵌入式控制等關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)用，合理的將這些關(guān)鍵技術(shù)融入教學(xué)方案中，從而提高了實踐教學(xué)的質(zhì)量，最終將增強(qiáng)學(xué)生解決實際技術(shù)問題的能力。

經(jīng)過市場充分調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前市面上的無人機(jī)大致分為：玩具級、消費(fèi)級和專業(yè)級三個級別，對于固定翼航模無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)都存在以下問題。

玩具級別的無人機(jī)功能單一，主要共能是使用遙控器實施飛行操作，可以完成前進(jìn)后退，拐彎懸停，爬升降落等基本功能。其關(guān)鍵技術(shù)使用的是電機(jī)驅(qū)動的方式，該種方式精度低、功耗大、算法及其實現(xiàn)技術(shù)不足于滿足電子類相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生對高精度、低延時、低功耗的技術(shù)研究的需求。

消費(fèi)級的無人機(jī)大多采用軟件集成化、硬件模塊化的設(shè)計思路，集成化程度過高。大學(xué)生們很難使用消費(fèi)級別的無人機(jī)去一窺究竟。難以滿足大學(xué)生對多旋翼無人機(jī)及其飛行控制器的開發(fā)設(shè)計學(xué)習(xí)的目的。

專業(yè)級的無人機(jī)對于飛機(jī)本身的要求一般不高，關(guān)鍵技術(shù)集中在無人機(jī)搭載的某項特殊功能上，例如應(yīng)用于地形地貌勘測的無人機(jī)，該型無人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)在于搭載的視覺系統(tǒng)；應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的抗干擾旋翼無人機(jī)，關(guān)鍵技術(shù)為飛機(jī)搭載的抗干擾設(shè)備等；應(yīng)用于農(nóng)業(yè)施肥和打藥的無人機(jī)，關(guān)鍵技術(shù)為大負(fù)載、長續(xù)航等。這一類的無人機(jī)在技術(shù)上難度較高，不適于作為教學(xué)使用。

本文提出的無人機(jī)教學(xué)套件，專門針對學(xué)生掌握電子工程領(lǐng)域的技術(shù)所設(shè)計，各分系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計合理，指標(biāo)精度適宜，研發(fā)流程以提高學(xué)生實際工程能力為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計，適用于集中生產(chǎn)實習(xí)等環(huán)節(jié)，有助于改善教學(xué)實踐環(huán)節(jié)。無人機(jī)教學(xué)套件合理的結(jié)合了基礎(chǔ)理論知識與實際產(chǎn)品，通過使用，學(xué)生們可以很好的將理論知識學(xué)以致用于解決實際問題。

2 教學(xué)無人機(jī)總體設(shè)計思路

我們旨在做一款專門針對大學(xué)階段電子類專業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)的四旋翼無人機(jī)，從選型芯片開始到制作自己的單片機(jī)最小系統(tǒng)，再將最小系統(tǒng)和采集模塊的陀螺儀與氣壓計傳感器相連接，與通信模塊的信號收發(fā)天線相連接，與電源模塊的調(diào)節(jié)芯片相連接，最后組合自制飛行控制系統(tǒng)，從原理圖到PCB 制版讓學(xué)生體驗完整的硬件訓(xùn)練體系。

最終通過每個模塊的驅(qū)動程序調(diào)試與功能整合調(diào)試，做出一款能完成簡單平穩(wěn)飛行，支持遠(yuǎn)程遙控操作，同時具備預(yù)留外圍功能擴(kuò)展模塊接口的無人機(jī)。配合自編教材或者網(wǎng)絡(luò)資源針對細(xì)化后的獨(dú)立模塊進(jìn)行理論學(xué)習(xí)與實驗調(diào)試，最后拼接組裝成品。讓學(xué)生全程參與整個硬件電路設(shè)計和軟件代碼編程與調(diào)試的完整項目開發(fā)過程。把理論知識的學(xué)習(xí)與實踐動手兩個教學(xué)環(huán)節(jié)以軟硬結(jié)合訓(xùn)練的教學(xué)模式有效結(jié)合起來，最終達(dá)到靈活應(yīng)用所學(xué)理論知識解決實際生活問題的教學(xué)目的?？傮w設(shè)計思路流程圖如圖1所示。

圖1 主控程序設(shè)計思路圖

首先硬件上電之后，對主控芯片STM32 自帶的時鐘控制器進(jìn)行設(shè)置，并且對各個模塊的驅(qū)動進(jìn)行初始化處理，主要完成寄存器遺留數(shù)據(jù)以及遺留中斷數(shù)據(jù)的清除和初始化，還有陀螺儀的較準(zhǔn)等。接下來主控芯片就可以獲取來自于傳感器采集的最新數(shù)據(jù)信息，將獲取到的傳感器信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換分析，完成四旋翼無人機(jī)此刻的空中姿態(tài)解算，然后對四旋翼無機(jī)發(fā)出控制指令信息，使得無人機(jī)在空中實現(xiàn)飛行姿態(tài)的調(diào)整。

因此我們以任務(wù)管理的形式對軟件進(jìn)行模塊進(jìn)行劃分一個共包含四部分：電機(jī)驅(qū)動任務(wù)管理模塊；姿態(tài)傳感器檢測任務(wù)管理模塊；電源管理模塊；核心算法任務(wù)管理模塊，如圖1 所示。

電機(jī)的驅(qū)動任務(wù)管理模塊，主要負(fù)責(zé)調(diào)配每個電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速實現(xiàn)飛機(jī)的起飛、降落、轉(zhuǎn)向等操作；電源任務(wù)管理模塊主要負(fù)責(zé)電源的穩(wěn)定供給以及剩余電量的監(jiān)測于估算，為是否提示返航給出判定依據(jù)；姿態(tài)傳感器采集任務(wù)管理模塊，主要負(fù)責(zé)接收陀螺儀等傳感器的數(shù)據(jù)采集，為四旋翼無人機(jī)的空中姿態(tài)檢測提供判斷依據(jù)。核心算法任務(wù)管理模塊，主要負(fù)責(zé)解算四旋翼無人機(jī)空中姿態(tài)信息，并快速給出調(diào)整信息，最終以動作指令的形式發(fā)往電子調(diào)速器模塊從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到飛行姿態(tài)的糾正。

檢測到四旋翼無人機(jī)空中姿態(tài)產(chǎn)生問題的信息后必須以中斷函數(shù)的形式發(fā)送給主控，強(qiáng)行修改此刻電子調(diào)速器的數(shù)據(jù)信息來糾正四旋翼無人機(jī)此刻的空中姿態(tài)。因此我們需要在姿態(tài)信息下一次中斷數(shù)據(jù)到來之前完成當(dāng)次姿態(tài)信息的結(jié)算并發(fā)出調(diào)控指令。所以需要保證算法的體積和代碼的最小封裝。如果軟件算法優(yōu)化以后仍然達(dá)不到要求可以考慮升級硬件，選擇處理能力更強(qiáng)的主控芯片。

3 硬件模塊介紹

以下介紹的就是這架為理論與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計的教學(xué)無人機(jī)硬件模塊構(gòu)成。從底層芯片與傳感器開始搭建模塊，在組成系統(tǒng)，最后實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，讓學(xué)生感受自下而上設(shè)計實踐過程。整體框圖如圖2 所示。

圖2 四旋翼無人機(jī)硬件系統(tǒng)框圖

設(shè)計的主控芯片采用STM32F103C8T6，他功能很強(qiáng)大，產(chǎn)品系列也非常豐富，底層驅(qū)動代碼可移植于更高性能的芯片方便改版升級，之所以選擇了F103 系列主要式為了控制成本，如果需要搭載圖像傳輸功能或者實現(xiàn)復(fù)雜飛行控制算法建議選擇STM32 F4 系列或更高系列的芯片完成自己的設(shè)計。

針對姿態(tài)檢模塊我們采用MPU-6500 陀螺儀，它具有價格便宜性能穩(wěn)定，參考資料多等優(yōu)勢。同時它整合了3 軸陀螺儀和3 軸加速度計,以及一個可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動處理器DMP，可用IIC 接口連接一個第三方的數(shù)字傳感器,比如加速度計、磁力計等傳感器。由IIC 端口以單一數(shù)據(jù)流的形式,向應(yīng)用端輸出完整的6 軸或9 軸的旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)、歐拉角格式的融合演算數(shù)據(jù)。

高度檢測模塊我們采用FBM320 氣壓計，它價格便宜，測量較為精準(zhǔn)誤差小。通信模塊主要分為四旋翼無人機(jī)上的信號接收端和遙控發(fā)射的發(fā)射端我們分別采用了Si24R1 的2.4G 芯片和2.4G 陶瓷天線ANT，雖有一定的傳輸半徑，但信號傳輸穩(wěn)定。

控制方式采用遙控器遙控或者手機(jī)APP（支持體感的智能手機(jī)）也可以根據(jù)2.4G 陶瓷天線ANT 的傳輸協(xié)議或者其他傳輸設(shè)備的傳輸設(shè)備自制遙控器。電機(jī)我們最終選擇720 空心杯電機(jī)型號為Motor_720，它具有自重輕，轉(zhuǎn)速高且容易調(diào)控的優(yōu)勢。電源供電模塊最終采用電池600mAh。

4 軟件流程實現(xiàn)

四旋翼無人機(jī)有兩種方法來獲取傳感器采集的信息，第一種方法是通過查詢方式獲取，第二種方法是通過中斷方式獲取。也可以考慮將二者有效結(jié)合。

軟件流程主要解決以下問題：傳感器先采集數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)信息的解算后得出當(dāng)下四旋翼無人機(jī)的空中姿態(tài)，如果飛行器姿態(tài)沒有問題則不作中斷回應(yīng)，如果有問題則提出中斷請求，可以結(jié)合查表的形式報告錯誤類型，并迅速做出回答相應(yīng)，此種中斷加查表的形式可以做出更高速的回應(yīng)。具體流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

程序完成初始化后，先設(shè)置傳感器的中斷類型以及處理函數(shù)，將姿態(tài)解算方法和姿態(tài)糾正方法都提前定義在中斷處理函數(shù)中，有需要的時候直接調(diào)用中斷函數(shù)即可以最快速度完成四旋翼飛行器空中姿態(tài)的解算和糾正。所以只需要實時監(jiān)測中斷情況即可。每次中斷發(fā)生以后在處理前先清除中斷，再處理數(shù)據(jù)，以免發(fā)生錯誤指令。

數(shù)據(jù)采集模塊包括加速度和陀螺儀信息。MPU-6050 芯片就包括了這兩個信息，所以我們可以通過這個芯片來采集陀螺儀和加速度計的數(shù)據(jù)，并用四元數(shù)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算。

由于加速度傳感器和陀螺儀的工作模式已經(jīng)被主控系統(tǒng)在初始化的時候設(shè)置過了，所以每當(dāng)加速度和陀螺儀產(chǎn)生新數(shù)據(jù)的時候，主控系統(tǒng)就會通過中斷方式來讀取數(shù)據(jù)。主控系統(tǒng)模塊得到數(shù)據(jù)之后，變可以放心的進(jìn)入下一個模塊姿態(tài)解算。

5 結(jié)語

關(guān)于四旋翼飛行器網(wǎng)上的資源和書籍很多，本文在保證基本功能的前提下給出了一個低成本的解決方案，保證低成本和高性能的前提下，本文還在算法優(yōu)化上給出了解決思路。此款無人機(jī)的解決方案目標(biāo)指向明確，是專門為電子類大學(xué)的生產(chǎn)實訓(xùn)環(huán)節(jié)，以及理論結(jié)合實踐的教學(xué)環(huán)節(jié)所設(shè)計。并非一味追求飛行器的性能，而是在價格與性能之間做了權(quán)衡給出解決方案。旨在完成飛行器設(shè)計的普及教學(xué)，對于從零基礎(chǔ)起步學(xué)習(xí)設(shè)計無人機(jī)的學(xué)生給出了基本的硬件解決方案以及代碼優(yōu)化思路。硬件選型主要考慮低成本和多資源，方便學(xué)生自學(xué)與DIY 時調(diào)試期間的配件更換。