【正文】 4) STM32 從 MPU6000 的地址讀取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù) MPU6000 內(nèi)部寄存器的地址最高位為 1 表示寫命令，所以在片選信號(hào)拉低時(shí)，將要讀取數(shù)據(jù)的地址的最高位置一并寫入到 MPU6000，緊接著讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，將片選信號(hào)拉高，完成操作。 MPU6000 的地址和數(shù)據(jù)寄存器如表 51 和表 52 所示： 表 51 SPI 地址寄存器 MSB — — — — — — LSB R/W A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 表 52 SPI 數(shù)據(jù)寄存器 MSB — — — — — — LSB D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 在本設(shè)計(jì)中， MPU6000 和 data flash 共用一個(gè) SPI 接口，由于 data flash 是高速 SPI，而 MPU6000 最大速度才能達(dá)到 1MHz，所以在系統(tǒng)初始化時(shí)將 data flash 運(yùn)用 STM32 內(nèi)部 SPI 進(jìn)行配置， MPU6000 的 SPI 用 GPIO 去模擬。 uC/OSII 系統(tǒng)的任務(wù)劃分 由于 uC/OSII 系統(tǒng) 是一個(gè)搶占式優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，在進(jìn)行系統(tǒng)任務(wù)劃分時(shí)，必須將實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)的周期設(shè)置盡量短，優(yōu)先級(jí)往高規(guī)劃，將實(shí)時(shí)性要求低的任務(wù)周期可以設(shè)置較長，優(yōu)先級(jí)往低規(guī)劃。 PWM 頻率的計(jì)算包括以下幾種情況： (1)當(dāng)用戶 設(shè)定的定時(shí)器預(yù)分頻為 1 時(shí)， PWM 的 計(jì)算如下 ： e s c a l e rT I MP e r io dT I Mff C L KP W M Pr__ ??? (2) 當(dāng)用戶設(shè)定的定時(shí)器預(yù)分頻不為 1 時(shí)， PWM 的計(jì)算如下： e s c al e rT IMP e r iodT IMff C L KP W M Pr__2 ???? 其中 fPWM 表示設(shè)定的時(shí)鐘頻率； fCLK表示定時(shí)器的時(shí)鐘源的頻率，當(dāng)定時(shí)器的時(shí)鐘源是高速外設(shè)時(shí)鐘時(shí)， fCLK 一般為 72MHz，當(dāng)定時(shí)器的時(shí)鐘源是低速外設(shè)時(shí)鐘時(shí)， fCLK一般為 36MHz ； TIM_Period 表示時(shí)鐘溢出周期； TIM_Prescaler 表示時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù)。GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5)。 輸入 /輸出管腳 的配置 因?yàn)?STM32 所有的外設(shè)文件都在 中， 首先在 中的必須包含 ，創(chuàng)建用戶所需的 .c 文件，寫入 include 。 將 中的 PendSV_Handler 全部 改為 OS_CPU_PendSVHandler；在 中加入 STM32 的硬件驅(qū)動(dòng)的文件和 OS 的配置文件 ，包括： 、 、 、 、 、 、 、 、 。再 把 中的void OS_CPU_SysTickHandler(void)。打開 setings，在 flash down load 菜單下點(diǎn)擊add，將 stm32f10x… 加入。 MDK 不僅具有編譯功能，還可以用在線 調(diào)試器通過 JLINK 連接目標(biāo)程序進(jìn)行在線調(diào)試，在 MDK 編程環(huán)境下進(jìn)行對(duì) uC/OSII 系統(tǒng)程序設(shè) 計(jì)既方便又快捷。 (4)信號(hào)線之間的連線盡可能短，保證信號(hào)線的傳輸速度和準(zhǔn)確性。 指示燈 的設(shè)計(jì) 圖 312 指示燈的設(shè)計(jì) 主板電路指示燈的作用是用來指示某些功能是否正常運(yùn)行，其中 LED4 是用來判斷電源是否正常上電， LED1 用來指示滾轉(zhuǎn)狀態(tài)， LED2 用來指示 俯仰運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， LED3 用來指示偏航運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 12 MPU6000 電路 的設(shè)計(jì) 圖 38 MPU6000 接口的設(shè)計(jì) MPU6000 姿態(tài)測(cè)量傳感器的電路接口的設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵， MPU6000 支持 I2C總線和 SPI 總線的通信，采用 SPI 的通信可以更加及時(shí)的將姿態(tài)信息傳輸給 STM32，以便 STM32 更加及時(shí)的對(duì)姿態(tài)進(jìn)行處理。 JTAG 編程接口的設(shè)計(jì) 圖 36 JTAG 編程接口的設(shè)計(jì) 該端口用于 PC 機(jī)和主板進(jìn)行通信 ，用戶可以在 PC 機(jī)上 編程， 并將 軟件程序（即HEX 文件）通過 JTAG 接口下載到 STM32 中 ，并通過 MDK 編譯環(huán)境對(duì)主板進(jìn)行在線調(diào)試，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序的每一個(gè)參數(shù)的值， 為了對(duì)管腳起到保護(hù)，對(duì)于 該 電平拉高的管腳都增加 上拉 電阻進(jìn)行 限流 保護(hù)。當(dāng)使能引腳 EN 置零是，芯片開始正常工作，輸出穩(wěn)定的 電壓供主板工作，輸入端為 5V電壓 ，當(dāng) P1 跳線帽短接的時(shí)候， 5V 電壓可以從電調(diào)中引過來；當(dāng) P1 跳線帽斷開的時(shí)候 ， 5V 電壓需要從電池經(jīng)過UBEC 穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換成 5V 接入到輸入端，同時(shí)為了整塊主板的工作安全可靠，在輸入端加了直流無刷電機(jī) 1 電調(diào) 1 STM32 慣性測(cè)量模塊 MPU6000 電源管 理 模 塊（電池電量的測(cè)量與反饋） 大電流放大電池 輸出PWM GPS 模塊 氣壓測(cè)量模塊 磁力傳感器 電調(diào) 2 直流無刷電機(jī) 3 電調(diào) 3 電調(diào) 4 直流無刷電機(jī) 4 直流無刷電機(jī) 2 10 可以自動(dòng)恢復(fù)型保險(xiǎn)絲 (F1)和 5V 穩(wěn)壓二極管 (D3)。 硬件的構(gòu)建 為了讓四旋翼飛行器平穩(wěn)、安全、可靠 的飛行 ，硬件電路必須要小型化、低功耗。 (3)擴(kuò)展模塊 為了以后的發(fā)展，還必須考慮到相應(yīng)的外接接口和集成度的問題，本設(shè)計(jì)增加了集成在飛控板上的 GPS 模塊、 data falsh、氣壓傳感器接口 、電子羅盤接口等。 所以四旋翼飛行器姿 態(tài)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)應(yīng)該包括以下幾個(gè) 方 面： (1) 硬件 的 驅(qū)動(dòng) 硬件 的 驅(qū)動(dòng) 目的是為了 完成 四旋翼飛行器 硬件 動(dòng)作所 涵蓋的所有功能 。 綜上所述， 本設(shè)計(jì) 選擇“ X”型飛行器的 姿態(tài) 控制 方案。 5 (1) “ 十 ”型飛行器 1) “十 ”型飛行器的飛行原理 如 下 圖所示，是 “十 ”型 四旋翼飛行器控制四路電機(jī)，確保姿態(tài)的平穩(wěn)的原理： 圖 21 垂直運(yùn)動(dòng) 圖 22 俯仰運(yùn)動(dòng) 圖 23 滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 圖 24 偏航運(yùn)動(dòng) “十”型飛行器 垂直起飛時(shí)， 兩個(gè)對(duì)角的電機(jī)同向旋轉(zhuǎn)，相鄰的電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，剛好平衡電機(jī)對(duì)機(jī)身的反扭矩，當(dāng)四旋翼飛行器四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，相應(yīng)的總的向上的6 拉力也增加，當(dāng)向上的拉力大于自身的重力時(shí)，四旋翼飛行器就垂直起飛了；當(dāng)飛行器要執(zhí)行俯仰 運(yùn)動(dòng) ，只要將電機(jī) 1 的轉(zhuǎn)速增加，將電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速下降， 整個(gè)機(jī)身就會(huì)往 Y軸旋轉(zhuǎn)角 方向 運(yùn)動(dòng)；同樣，增加電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速減少電機(jī) 2 的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)增加電機(jī) 1 和電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速，減少電機(jī) 2 和電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)機(jī)身的偏航運(yùn)動(dòng)；當(dāng)圖 22 和圖 23，當(dāng)飛行器實(shí)現(xiàn) 俯仰運(yùn)動(dòng)或 者滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，垂直飛行器的向上的拉力產(chǎn)生一個(gè)水平的分量，可以實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動(dòng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)。相比之下， MPU6000 集成了 MPU6050 所有功能，除此之外，它還可以通過 SPI 和主機(jī)進(jìn)行通信，通信的速率最大可達(dá) 1MHz，更方便四 旋翼飛行器的姿態(tài)信息的及時(shí)傳輸。 姿態(tài)信息采集傳感器的選型 (1)采用 MPU6050 三軸 陀螺儀、三軸加速度的六軸 慣性測(cè)量元件。從 ATMEGA2560的特點(diǎn)來看，它適合外接多種傳感器、處理 速度 較高，在國外 ，運(yùn)用 ATMEGA2560 單片機(jī)為核心的 APM 飛控系統(tǒng)已經(jīng)做得相對(duì)成熟。 本課題 主要 掌握 6 軸 運(yùn)動(dòng)檢測(cè) 單元 MPU6000 及ARM 處理器 的應(yīng)用技術(shù)，結(jié)合 uCOSII 系統(tǒng)的使用，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的角速率、加速度等信息的采集， 結(jié)合相關(guān)的信息處理技術(shù)解算出無人機(jī)的俯仰 、滾轉(zhuǎn)等角度； 根據(jù) 該飛行參數(shù)， 反饋控制四軸旋翼舵量， 實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的 平穩(wěn)飛行 。其核心代碼占用的內(nèi)存 少 、且可裁剪，可移植性好， 可謂短小精悍。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的基于嵌入式處理器 S3C44BOX 的 μC/OSⅡ 無人機(jī)控制系統(tǒng)， μC/OSⅡ 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 將 各個(gè)任務(wù)模塊 通過進(jìn)行 調(diào)度管理 的形式 組合成 一個(gè)緊密結(jié)合的 整體。目前， 此 項(xiàng)目已經(jīng)完成了 室內(nèi) 多 臺(tái)無人機(jī)陣列的 目標(biāo)連續(xù)搜索、 追 蹤、多機(jī)編隊(duì)飛行等實(shí)驗(yàn) ， 該 技術(shù) 已經(jīng)處在世界的領(lǐng)先水平 [5]。因此我們 有必要 投入更多的精力 和人力 到四旋翼飛行器的 開 發(fā)當(dāng)中。靈活性 好 要求 系統(tǒng)開發(fā) 軟件在不同的硬件平臺(tái)上 方便 移植；可擴(kuò)展性 良好則 要求 系統(tǒng) 具有較多的通信接口和 良好的模塊性， 為 今后 的升級(jí)和開發(fā) 做好相應(yīng)的基礎(chǔ) 。 可見 ARM CORTEXM3內(nèi)核是一種體積小、可嵌入的計(jì)算機(jī)內(nèi)核，它控制精度高、處理速度快、能夠適應(yīng) 復(fù)雜的 外界 環(huán)境，符合四旋翼飛控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) [3]。 四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的核心部分是飛控處理器的內(nèi)核和飛控系統(tǒng)的軟件， 目前，四旋翼 飛控 系統(tǒng)正 不斷 向小型化 和高精度的 方向發(fā)展 。 四旋翼飛行器 是 通過四 個(gè) 螺旋槳 的高速旋轉(zhuǎn)， 產(chǎn)生向上的推力， 推動(dòng) 機(jī)身 直升 飛行的典型的無人機(jī) 。 software overall design, including the system migration, the collection of the attitude information, quaternion conversion, software processes and so on。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目： 基于 ARM CORTEX 處理器的四旋翼機(jī) 姿態(tài)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 學(xué) 生： 林 德 興 指導(dǎo)老師： 陳 興 武 老 師 院 系： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 電氣 1001 學(xué) 號(hào)： 3100203117 2021 年 6 月 1 緒論 ....................................................................................................................................... 1 研究的背景和意義 ................................................................................................. 1 研究現(xiàn)狀與發(fā)展 ..................................................................................................... 2 研究?jī)?nèi)容 ................................................................................................................. 3 2 姿態(tài)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) ........................................................................................... 3 姿態(tài)控制系統(tǒng)的架構(gòu)與方案比較 ......................................................................... 3 MCU 的功能分析 ................................................................................................... 3 姿態(tài)信息采集傳感器的選型 ................................................................................. 4 姿態(tài)控制方案的選擇 ............................................................................................. 4 姿態(tài)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) ..................................................................................... 7 3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ................................................................................................................... 8 硬件的構(gòu)建 .....................................................................................................