謝 檬，南 洋

(西安交通大學(xué)城市學(xué)院，西安 710018)

0 引言

1901年，Breguet兄弟開(kāi)始研發(fā)“旋翼機(jī)1號(hào)”四旋翼飛行器[1-3]?！靶頇C(jī)1號(hào)”采用四根鋼管組成的“十字架”形狀結(jié)構(gòu)，于1907年的年底，首次實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器載人升空，這一突破性的進(jìn)展極大促進(jìn)了四旋翼飛行器的發(fā)展[4-9]。而后幾十年，德國(guó)公司研發(fā)的MD4型號(hào)四旋翼飛行器、美國(guó)斯坦福大學(xué)研發(fā)出STARMAC四旋翼飛行器、法國(guó)派諾特公司研制的AR.Drone四旋翼飛行器、奧克蘭大學(xué)推出帶有飛控系統(tǒng)的四旋翼飛行器、我國(guó)的“大疆”公司和“零度智控”公司推出的ZERO1600系列無(wú)人機(jī)在民用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域得到了推廣[10-14]。世界各國(guó)無(wú)一不把四旋翼飛行器列為重點(diǎn)研究對(duì)象。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 傳感器驅(qū)動(dòng)電路圖

四旋翼飛行器可以實(shí)現(xiàn)各種方位和角度的飛行、且能對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)低空偵察和觀測(cè)，同時(shí)向地面監(jiān)測(cè)站傳送實(shí)施的影像信息；得益于四旋翼飛行器多種靈活的飛行姿態(tài)[15]。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，四旋翼飛行器可以攜帶現(xiàn)代武器，比如遠(yuǎn)程操控投放炸彈等等[16-19]。在民用方面，四旋翼飛行器可以執(zhí)行各種復(fù)雜環(huán)境的任務(wù)，比如環(huán)境監(jiān)測(cè)，大氣監(jiān)測(cè)，地貌監(jiān)測(cè)，森林防火等?？刂葡到y(tǒng)是四旋翼飛行器的核心技術(shù)，主要在飛行過(guò)程中操控著四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)、實(shí)時(shí)通信和位置導(dǎo)航等任務(wù)[20]。

四旋翼無(wú)人機(jī)主要由飛控手目視操控飛行過(guò)程，難免存在人為誤差，為了減少飛控手目視檢查所產(chǎn)生的誤差，可以通過(guò)LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行四旋翼飛行器飛行控制模擬及仿真，在軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器飛行狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集和性能評(píng)估。本文所設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，下位機(jī)采用STM32F103RBT6單片機(jī)和MPU-9250九軸傳感器采集四旋翼飛行器的實(shí)時(shí)飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)界面對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、記錄、存儲(chǔ)、報(bào)警和回放等功能。打開(kāi)子面板，可以查詢歷史數(shù)據(jù)，且對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。

1 總體方案設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，姿態(tài)監(jiān)測(cè)的四個(gè)參數(shù)分別是：飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。

MPU-9250九軸傳感器將采集到的參數(shù)傳輸給STM32F103RBT6單片機(jī)進(jìn)行處理，WIFI通信模塊連接上位機(jī)LabVIEW監(jiān)測(cè)平臺(tái)，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和閾值觸發(fā)報(bào)警等功能。

1.1 MPU-9250傳感器驅(qū)動(dòng)電路

MPU-9250傳感器采用SPI通信方式和STM32單片機(jī)進(jìn)行通信，驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2所示。在STM32單片機(jī)中將PA1管腳配置成SPI1_SCK，將PA6配置成SPI1_MOSI，將PA7配置成SPI1_MISO，PA2管腳配置成片選管腳來(lái)選中MPU-9250傳感器。

1.2 STM32F103RBT6單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和啟動(dòng)電路。

1.2.1 電源電路

供電電路圖3所示，電源供電部分采用3.7 V鋰電池進(jìn)行供電，由于MCU和MPU九軸傳感器為3.3 V供電，所以電源電路中采取SP6205將3.7 V電壓輸入進(jìn)行降壓至3.3 V給其供電。

圖3 電源電路

1.2.2 時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路共提供兩個(gè)時(shí)鐘源，其中Y2為32.768 kHz晶振，為RTC提供時(shí)鐘，Y1為8 MHz晶振，為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘。

1.2.3 復(fù)位電路

復(fù)位電路采用按鍵和保護(hù)電容構(gòu)成復(fù)位電路，在CPU無(wú)法正常工作時(shí)，按下按鍵，可以進(jìn)行物理復(fù)位CPU。

1.2.4 啟動(dòng)電路

啟動(dòng)電路如圖4所示，BOOT1和BOOT2來(lái)決定啟動(dòng)模式，BOOT1接電平，并且和BOOT2通過(guò)插針連接，通過(guò)跳線可以配置三種不同的模式。

圖4 啟動(dòng)電路

1.3 WIFI通信模塊

WIFI通信模塊電路圖如圖5所示，其中，PA9是串口1的發(fā)送管腳，PA10是串口1的接收管腳。

圖5 WIFI通信模塊電路圖

2 軟件主程序設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用圖形化編程軟件LabVIEW，主要實(shí)現(xiàn)功能：(1)實(shí)時(shí)采集飛行姿態(tài)四個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行顯示、處理、存儲(chǔ)、報(bào)警和回放；(2)若采集到的數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)先設(shè)置的閾值，觸發(fā)報(bào)警；(3)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，方便查詢不同時(shí)刻的歷史記錄。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主程序流程如圖6所示，系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔、參數(shù)閾值，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在軟件界面，系統(tǒng)軟件對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)飛行高度、速度值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值，則觸發(fā)報(bào)警并顯示，軟件系統(tǒng)重新發(fā)送飛行控制指令；當(dāng)飛行高度、速度值沒(méi)有超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值，則飛行繼續(xù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、顯示等。

圖6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主程序流程圖

3 姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)面板設(shè)計(jì)

姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為兩個(gè)子面板，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示子面板和歷史數(shù)據(jù)查詢回放子面板。

3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示子面板

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示子面板由三個(gè)模塊組成：參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和指令發(fā)送模塊。主要包括參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)顯示波形、閾值設(shè)定及報(bào)警系統(tǒng)、開(kāi)始保存按鈕、歷史數(shù)據(jù)回放按鈕和停止按鈕、指定參數(shù)設(shè)置及發(fā)送按鈕。

3.1.1 參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊包括端口號(hào)、波特率和數(shù)據(jù)位。建立與四旋翼飛行器通信的前提是必須設(shè)置好端口號(hào)，波特率設(shè)定為9 600 bps，數(shù)據(jù)位選擇為8位，讀取8位數(shù)據(jù)。連接無(wú)人機(jī)，指示燈亮，并顯示連接正常。此時(shí)數(shù)據(jù)采集開(kāi)始，接受來(lái)自下位機(jī)的數(shù)據(jù)。

3.1.2 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊包括閾值設(shè)定、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波形和報(bào)警指示。飛行高度顯示單位為m，閾值設(shè)定范圍0～6 000 m，每一小格代表500 m的高度變化，保留兩位有效數(shù)字。飛行速度顯示單位為km/h，閾值設(shè)定范圍0～400 km/h，每一小格代表25 km/h的速度變化，保留兩位有效數(shù)字。俯仰角和滾轉(zhuǎn)角顯示單位為(°)，閾值設(shè)定范圍-180°～180°，每一小格代表10°的角度變化。四個(gè)參數(shù)的縱軸數(shù)值最大值會(huì)隨著采集到的數(shù)據(jù)值進(jìn)行改變，觸發(fā)閾值時(shí)數(shù)值不再改變且相應(yīng)報(bào)警指示燈亮起，四旋翼飛行器停止飛行并等待下一步指令，采集時(shí)間單位為s，設(shè)定采集時(shí)間間隔為1 s，橫軸每一小格代表20 ms的時(shí)間變化。采集時(shí)間間隔為1 s，每一小格代表20 ms的時(shí)間變化。

3.1.3 指令發(fā)送模塊

用戶可以在上位機(jī)界面自行設(shè)定四旋翼飛行器的參數(shù)，但是不能設(shè)定閾值，輸入的參數(shù)數(shù)值有效數(shù)字為兩位，飛行高度可輸入范圍為0～6 000.00 m，飛行速度可輸入0～400.00 km/h，俯仰角可輸入范圍為-180.00～180.00°，滾轉(zhuǎn)角可輸入范圍為-180.00～180.00°，相應(yīng)參數(shù)設(shè)置完成后點(diǎn)擊數(shù)值下方的按鈕即可將設(shè)定的參數(shù)數(shù)值發(fā)送給下位機(jī)，在完成指令發(fā)送之后，點(diǎn)擊“開(kāi)始保存”按鈕，上位機(jī)開(kāi)始對(duì)下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存，如果需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，點(diǎn)擊“歷史數(shù)據(jù)回放”，即可調(diào)用歷史數(shù)據(jù)查詢回放子面板，完成對(duì)歷史數(shù)據(jù)的回放和查看操作。

3.2 歷史數(shù)據(jù)查詢回放子面板

歷史數(shù)據(jù)查詢回放子面板包括四個(gè)參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)記錄及波形、讀取歷史數(shù)據(jù)表格按鈕及返回主頁(yè)按鈕。主要完成調(diào)取存儲(chǔ)在根目錄文件里的歷史數(shù)據(jù)的excel表格，同時(shí)顯示飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的歷史數(shù)據(jù)變化波形。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作步驟：

1)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示子面板上點(diǎn)擊“歷史數(shù)據(jù)回放”按鈕，即歷史數(shù)據(jù)查詢回放子面板開(kāi)始工作。

2)點(diǎn)擊“點(diǎn)擊打開(kāi)數(shù)據(jù)文件”按鈕，開(kāi)始調(diào)取相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)以excel表格的形式存儲(chǔ)在文件里，同時(shí)以波形圖的形式顯示在前面板。

3)點(diǎn)擊“主頁(yè)”按鈕，返回實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示子面板，可以在觀察歷史數(shù)據(jù)的同時(shí)觀察實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化。

4 姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能測(cè)試

4.1 四旋翼飛行器起飛姿態(tài)模式

四旋翼飛行器起飛姿態(tài)模式如圖7所示，點(diǎn)擊“連接無(wú)人機(jī)”按鈕，設(shè)置上位機(jī)端口號(hào)和網(wǎng)絡(luò)測(cè)試助手端口號(hào)，選擇傳輸協(xié)議為“TCP Client”，設(shè)置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為100 ms，開(kāi)始采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊“停止”按鈕，歷史數(shù)據(jù)以excel表格的形式自動(dòng)保存至文件。由圖可見(jiàn)，四旋翼飛行器正處于起飛模式，飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角都呈遞增的趨勢(shì)。

圖7 四旋翼飛行器起飛姿態(tài)模式

4.2 四旋翼飛行器平穩(wěn)飛行姿態(tài)模式

四旋翼飛行器平穩(wěn)飛行姿態(tài)模式如圖8所示，當(dāng)四旋翼飛行器加速起飛之后，說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行正常，從177 s時(shí)刻開(kāi)始給四旋翼飛行器發(fā)送指令，使其減緩加速上升，指令發(fā)送間隔為1 s，178 s時(shí)刻之后四旋翼飛行器減緩加速上升。當(dāng)時(shí)間到達(dá)198 s時(shí)刻，飛行高度從3 033.95 m緩慢增加至3 036.23 m，飛行速度由230.00 km/h緩慢增加至231.99 km/h保持不變，俯仰角由73.00°緩慢增加至74.79°保持不變，滾轉(zhuǎn)角由81.00°緩慢增加至82.77°保持不變，四旋翼飛行器呈平穩(wěn)飛行的趨勢(shì)，處于平穩(wěn)飛行姿態(tài)模式。

圖8 四旋翼飛行器平穩(wěn)飛行姿態(tài)模式

4.3 四旋翼飛行器降落姿態(tài)模式

四旋翼飛行器降落姿態(tài)模式如圖9所示，系統(tǒng)給四旋翼飛行器發(fā)送指令，使其減速下降，指令發(fā)送間隔為1 s，199 s時(shí)刻起四旋翼飛行器逐漸減速。當(dāng)時(shí)間到達(dá)220 s時(shí)刻，飛行高度從3 036.23 m緩慢降低至3 014.51 m，飛行速度由231.99 km/h緩慢減小至207.46 km/h，俯仰角由74.79°緩慢增加至-13.01°,滾轉(zhuǎn)角由82.77°緩慢減小至-23.54°。四旋翼飛行器呈減速下降的趨勢(shì)，處于降落姿態(tài)模式。

圖9 四旋翼飛行器降落姿態(tài)模式

4.4 四旋翼飛行器報(bào)警模式

四旋翼飛行器報(bào)警模式如圖10所示，觸發(fā)報(bào)警模式需要等待四旋翼飛行器一直加速上升，因此從303 s時(shí)刻開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。并記錄數(shù)據(jù)至324 s時(shí)刻，飛行高度從5 820.25 m增加至6 000.01 m，此時(shí)飛行高度大于預(yù)先設(shè)定的閾值。觸發(fā)報(bào)警，報(bào)警指示燈亮，四旋翼飛行器不再上升，上位機(jī)數(shù)據(jù)采集停止，飛行速度由381.25 km/h增加至400.01 km/h，此時(shí)飛行速度也大于預(yù)先設(shè)定的閾值，觸發(fā)報(bào)警，報(bào)警指示燈亮，不再提供加速動(dòng)力，俯仰角由121.16°增加至139.54°，滾轉(zhuǎn)角由132.54°增加至149.21°。由于飛行高度和飛行速度觸發(fā)報(bào)警，上位機(jī)停止采集數(shù)據(jù)，此時(shí)四旋翼飛行器處于報(bào)警模式。

圖10 四旋翼飛行器報(bào)警模式

四旋翼飛行器在四種不同的姿態(tài)監(jiān)測(cè)模式下，其飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 四旋翼飛行器姿態(tài)監(jiān)測(cè)模式下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

4.5 四旋翼飛行器歷史數(shù)據(jù)回放模式

歷史數(shù)據(jù)回放模式如圖11所示，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和回放，進(jìn)而對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在前面板中運(yùn)行程序，點(diǎn)擊“開(kāi)始保存”，采集結(jié)束后，打開(kāi)“歷史數(shù)據(jù)回放”，即完成對(duì)歷史數(shù)據(jù)的回放。

圖11 四旋翼飛行器歷史數(shù)據(jù)回放模式

歷史數(shù)據(jù)回放模式顯示的四個(gè)參數(shù)的波形圖橫軸從第1格至第4格為起飛姿態(tài)模式，此時(shí)這四個(gè)參數(shù)均為遞增的趨勢(shì)；橫軸從第5格至10格為平穩(wěn)飛行姿態(tài)模式，此時(shí)四個(gè)參數(shù)的數(shù)值基本保持不變；橫軸從第11格至15格為降落姿態(tài)模式。此時(shí)四個(gè)參數(shù)的數(shù)值均為遞減趨勢(shì)；橫軸從橫軸第16格至19格為報(bào)警模式，此時(shí)四個(gè)參數(shù)的數(shù)值均為遞增趨勢(shì)，且飛行高度和飛行速度都超出閾值，觸發(fā)報(bào)警，數(shù)據(jù)停止采集。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的同時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)以excel表格的形式自動(dòng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存在相應(yīng)的根目錄。打開(kāi)文件中的表格，四旋翼飛行器在姿態(tài)監(jiān)測(cè)模式下飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的歷史數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 歷史數(shù)據(jù)

5 測(cè)試結(jié)果分析

5.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

在完成系統(tǒng)軟件測(cè)試后，打開(kāi)保存在文件夾中的歷史數(shù)據(jù)excel表格，見(jiàn)表3。8組連續(xù)的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，飛行高度從2 696.35 m至2 895.31 m，飛行速度從186.65 km/h至194.65 km/h，俯仰角從44.96°至50.64°，滾轉(zhuǎn)角從50.96°至57.21°。

表3 四旋翼無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(8組)

5.2 系統(tǒng)誤差分析

為了使誤差分析更為精準(zhǔn)，所以取多次采集到的數(shù)據(jù)的算術(shù)平均作為真實(shí)值，計(jì)算出各參數(shù)的絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差的大小。飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的誤差分析見(jiàn)表4～7。

表4 飛行高度誤差分析

表5 飛行速度誤差分析

為了使誤差分析更為精準(zhǔn)，取多次采集到的數(shù)據(jù)的算術(shù)平均作為真實(shí)值，計(jì)算出各參數(shù)的絕對(duì)偏差的大小。飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的絕對(duì)偏差擬合見(jiàn)圖13。

表6 俯仰角誤差分析

表7 滾轉(zhuǎn)角誤差分析

圖13 絕對(duì)偏差擬合圖

由圖13(a)可知，飛行高度從2 696.35 m變化至2 895.31 m時(shí)，其絕對(duì)偏差由-1.12%遞增至+1.07%；由圖13(b)可知，飛行速度從186.65 km/h變化至194.65 km/h時(shí)。其絕對(duì)偏差由-0.05%遞增+0.04%；由圖13(c)可知，俯仰角從44.96°變化至50.64°時(shí)，其絕對(duì)偏差由-0.03%遞增至至+0.03%；由圖13(d)可知，滾轉(zhuǎn)角從50.96°變化至57.21°時(shí)，其絕對(duì)偏差由-0.04%遞增至+0.04%。綜合分析，四個(gè)參數(shù)的絕對(duì)偏曲線圖差都呈遞增的趨勢(shì)，但是任一參數(shù)的相鄰兩組絕對(duì)偏差之間的差值小于0.5%，說(shuō)明采集到的參數(shù)值接近于真實(shí)值。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的基于LabVIEW的四旋翼飛行器姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，下位機(jī)采用MPU-9250九軸傳感器和STM32F103RBT6單片機(jī)，上位機(jī)面板使用了數(shù)據(jù)顯示，波形圖表，報(bào)警指示燈等控件，利用WiFi通信 將上位機(jī)和下位機(jī)連接，下位機(jī)采集飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，并將信號(hào)傳入上位機(jī)中。本系統(tǒng)測(cè)量范圍飛行高度：0～6 000 m；飛行速度：0～400 km/h；俯仰角：-180°～180°；滾轉(zhuǎn)角：-180°～180°。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警，用戶可以在上位機(jī)子面板隨時(shí)查看和調(diào)取歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，設(shè)定采集時(shí)間間隔1 s，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的記錄、顯示、保存和回放，采集數(shù)據(jù)的絕對(duì)偏差值小于0.5%，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)的姿態(tài)監(jiān)測(cè)，滿足了控制小型四旋翼無(wú)人機(jī)的實(shí)際需要。