【正文】 3 177。500176。/s MPU6050 的數(shù)據(jù)是為 int16 型，數(shù)據(jù)范圍是 32768 到 +32767。 表 靜止時 MPU6050 原始數(shù)據(jù) 狀態(tài) GYRO_X GYRO_Y GYRO_Z ACCEL_X ACCEL_Y ACCEL_Z MPU6050靜止 Z 軸垂直向上 1 0 0 1 0 100 1 0 0 1 0 100 1 0 0 1 0 100 1 1 0 1 0 99 1 0 0 1 0 99 1 0 0 1 0 100 MPU6050靜止 X 軸垂直向下 1 0 0 100 0 3 1 1 0 100 0 4 1 0 0 100 0 4 1 1 0 100 0 4 1 0 0 100 0 3 1 0 0 100 0 4 MPU6050靜止 Y 軸垂直向下 1 0 0 2 99 3 1 0 0 2 100 3 1 0 0 2 100 4 1 0 0 1 100 4 1 0 0 2 99 4 1 0 0 1 99 4 分析表格可知，當靜止時： X、 Y、 Z 三個軸上的角速度因為靜止幾乎為 0176。 當 傳感器 繞 Z 軸轉(zhuǎn)動 時 , X、 Y 軸上的角速度因為靜止幾乎為 0176。 那能否使用加速度來計算姿態(tài) 角呢？加速度坐標模型如圖 所示。 第 25 頁 西華大學畢業(yè)設(shè)計說明書 COS（ Axr） = RX / R 依此類推： COS（ Ayr） = RY / R COS（ Azr） = RZ / R 當使用 arccos()反余弦 : Axr = arccos(RX / R) Ayr = arccos(RY / R) Azr = arccos(RZ / R) 具體而言，就是： cosX = cos(Axr) = Rx / R cosY = cos(Ayr) = Ry / R cosZ = cos(Azr) = Rz / R 這 三個公式通常被稱為方向余弦。 Azr = arccos(RZ / R) = 0 度。但是這存在一個問題，由于從陀螺儀角速度獲得角度信息，需要經(jīng)過積分運算。 還有一種方法，利用 MPU6050 的數(shù)字運動處理器，即 DMP。 在 得到四元數(shù)之后，還需要根據(jù)四元數(shù)到歐拉角的轉(zhuǎn)換公式計算出歐拉角，即得到y(tǒng)aw、 roll 和 pitch。即繞 Y 軸逆時針轉(zhuǎn)動，所以 pitch 為30 度。當 FIFO 數(shù)據(jù)不足時，會延時等待。這個寄存器我們需要注意 DATA_RDY_INT 位。 INT_RD_CLEAR 該位等于 0，只有讀取 INT_STATUS (寄存器 58) 會導致中斷狀態(tài)位清除。 第 30 頁 西華大學畢業(yè)設(shè)計。 LATCH_INT_EN 該位等于 0， INT 引腳產(chǎn)生 50us 脈沖。 表 寄存器 58中斷標志寄存器 Register (Hex) Register (Decimal) Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 3A 58 MOT_INT FIFO _OFLOW _INT I2C _MST _INT DATA _RDY _INT 這個寄存器展示各個中斷源的中斷標志。 數(shù)據(jù)中斷 雖然我們可以通過 DMP 模式獲取正確的歐拉角，但是應(yīng)該在什么時候去讀取 DMP的四元數(shù)呢？因為 DMP 模式下這要的數(shù)據(jù)都是存儲在 MPU6050 里面的 FIFO， FIFO 里面存的包括 GYRO， ACC，四元數(shù)等參數(shù)。 圖 模塊連接圖 將 GY86 模塊按不同傾角擺放，具體如下表 所示。 q2 = quat[2] / q30。如何消除這個累積誤差呢？ 一種方法就是通過上面的加速度獲得的角度信息對此進行校正。上述兩方面的濾波效果使得飛行器保持平衡的難度加大。 Axr = arccos(RX / R) = 90 度。 可以看到由 R 和 Rx 組成的直角三角形。有了這三個角，我們就可以得到當前四軸的姿態(tài)，這才是我們想要的結(jié)果。而加速度因為轉(zhuǎn)動的原因，Y 軸上的加速度絕對值在減小，而 X 軸上的加速度絕對值在增大， 而水平上的 Y 坐標軸加速度幾乎為 0g。采集數(shù)據(jù)并取 100 次平均值后， 把ACCEL_OUT 放大 100 倍，再將全部數(shù)據(jù)發(fā)送到串口助手 6 次，這樣便于觀察和分析。2021176。/s 131 LSB/176。2 g 16384 LSB/g 1 177。 圖 上位機界面圖 因為使用的 PID 參數(shù)有小數(shù)，所以協(xié)議傳遞的 PID 參數(shù)都是先放大了 1000 倍在進行傳輸?shù)摹? (2) USART2： 用于調(diào)試程序、發(fā)送和接收上位機命令的通信。操作界面如圖 所示。 圖 MPU6050 芯片坐標軸分布圖 關(guān)于 加速度的測量其實是 當物體在加速過程中作用在物體上的力，這里需要注意的是在地球上任何物體都會受到地球給的重力，芯片也不例外，所以 X,Y,Z 坐標軸上 測得的加速度包含了重力在三個坐標軸上的重力加速度分量。 ? 高達 400Khz 的 IIC 通信接口。 ⑨ 可程序控制的中斷 (interrupt)，支持姿勢識別、搖攝、畫面放大縮小、滾動、快速下降中斷、 highG 中斷、零動作感應(yīng)、觸擊感應(yīng)、搖動感應(yīng)功能。 4g、177。 /sec 敏感度與全格感測范圍為177。 圖 無線數(shù)傳模塊圖 第 13 頁 西華大學畢業(yè)設(shè)計說明書 CC1101 無線數(shù)傳模塊和 STM32 單片機串口連接后 ，串口 就可以實現(xiàn)遠距離無線 收發(fā)數(shù)據(jù)，這樣的好處就是 減少了調(diào)試難度，因為如 果不使用無線數(shù)傳模塊的話，就 只有另購 NRF24L01 通信模塊，這會增添代碼量，加大調(diào)試難度。 GY86 模塊 與飛 行 控 制 系統(tǒng)連接電路圖如圖 所示。 表 啟動模式 STM32 啟動模式 選擇引腳 啟動模式 說明 BOOT1 BOOT0 X 0 主閃存存儲器 主閃存存儲器被選為啟動區(qū)域 0 1 系統(tǒng)存儲器 系統(tǒng)存儲器被選為啟動區(qū)域 1 1 內(nèi)置 SRAM 內(nèi)置 SRAM 被選為啟動區(qū)域 根據(jù)選定的啟動模式，主閃存存儲器、系統(tǒng)存儲器或 SRAM 可以按照以下方式訪問： 第 11 頁 西華大學畢業(yè)設(shè)計說明書 ● 從主閃存存儲器啟動：主閃存存儲器被映射到啟動空間 (0x0000 0000)，但仍然能夠在它原有的地址 (0x0800 0000)訪問它，即閃存存儲器的內(nèi)容可以在兩個地址區(qū)域訪問， 0x00000000 或 0x0800 0000。該芯片的配置十分強悍， 具有卓越的性能。1%以內(nèi)。其壓差輸出為 時，負載電流為 800mA。螺旋槳型號是 1047 型。通過調(diào)節(jié)各個電機的轉(zhuǎn)速可以達到控制飛行器姿態(tài)、速度、甚至是飛行路徑的效果。在飛行器飛行過程中，螺旋槳會產(chǎn)生兩個力，一個是升力，一個是與螺旋槳轉(zhuǎn)向相反的反扭矩。 STM32F407VET6具有卓越的性能，并不輸于 AVR 的 Atmega328P。 微控制器ATMEGA 328 P最小系統(tǒng)姿態(tài)檢測模塊無線接收器無線遙控器導航模塊無線遙控接收系統(tǒng)PPM 信號LCD 顯示屏無刷電機 電機驅(qū)動PWM DATADATADATA 圖 Arduino 飛控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 方案二：采用意法半導體的 STM32F407VET6 作為飛行器的主控芯片。 第三章節(jié)： 簡單敘述了飛行器飛行 原理 ， 以及機械結(jié)構(gòu) 。 作為當代大學生，不僅要順應(yīng)時代的潮流，更要有作為時代弄潮兒的信心與勇氣。 5. 最大飛行時間 28 分鐘，最大可控距離約 5 公里。 盡管目前 四旋翼飛行器已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到 運用，但 總體而言依舊 處于初步發(fā)展階段。 (2)支持配備高端電子產(chǎn)品，多種外設(shè)相連接，如照相機、機械臂等，可以實現(xiàn)一些娛 樂功能。四旋翼飛行器其具有以下特點： (1)體積小巧， 可以工作在惡劣的，危害人類健康和生命的環(huán)境中，最大限度地減少人員傷亡，飛行器可以全天工作無需休息，工作效率 高 。比如可以通過為飛行器的添加更加智能的算法實現(xiàn)人機 互動，讓飛行器幫人取物 件 等 。 4. 智能返航，感知障礙物后可自動提升飛行高度。 論文主要工作 無人機 作為當今電子產(chǎn)業(yè)里一個冉冉升起的新星，具有廣闊的市場和發(fā)展前景。 第二章節(jié) ： 就四旋翼飛行器方案討論與選擇，選擇了 基于 STM32 ARM 單片機 的四旋翼飛行控制系統(tǒng)。其飛 行 控 制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 友好的編譯方式大大提高了代碼的通用性和可移植性。 圖 X 型（左）與十字型（右）飛行方式圖 四旋翼飛行器的四個螺旋槳都是電機直連的結(jié)構(gòu)，通過改變電機轉(zhuǎn)速獲得旋轉(zhuǎn)機身的力，從而調(diào)整自身姿態(tài)。四旋翼飛行器的飛行方向與速度都是由飛行器的傾角決定的，并且飛行器傾斜的角度越大，飛行速度也就越快。 飛行器結(jié)構(gòu) 采用的機架型號為 F360，軸距 360mm。 電源 LM1117 為 低壓差電壓調(diào)節(jié)器。輸出電壓的精度在 177。 圖 電源模塊電路圖 STM32F407 最小系統(tǒng) STM32F407VET6 是意法半導體基于 CORTEXM4 內(nèi)核的芯片， STM32F407 擁有的資源包括：集成 FPU 和 DSP 指令，并具有 192KBSRAM、 1024KB FLASH、 12 個 16位定時器、 2 個 32 位定時器、 2 個 DMA 控制器（共 16 個通道）、 3 個 SPI、 2 個全雙工I2S、 3 個 IIC、 6 個串口、 2 個 USB（支持 HOST /SLAVE）、 2 個 CAN、 3 個 12 位 ADC、2 個 12 位 DAC、 1 個 RTC（帶日歷功能）、 1 個 SDIO 接口、 1 個 FSMC 接口、 1 個 10/100M以太網(wǎng) MAC 控制器、 1 個攝像頭接口、 1 個硬件隨機數(shù)生成器、以及 112 個通用 IO 口等。 啟動模式如表 所示。 圖 SW 模式下載電路圖 飛控 姿態(tài) 模塊 性能良好的飛控傳感器是飛行器穩(wěn)定飛行 重要保證， GY86 模塊上集成了陀螺儀、加速度計、磁力計和氣壓計，很適合飛行器上使用。 實物圖如圖 所示。 第 14 頁 西華大學畢業(yè)設(shè)計說明書 ② 具有 131 LSBs/176。 2g、177。 ⑧ 帶數(shù)字輸入同步引腳 (Sync pin)支持視頻電子影相穩(wěn)定技術(shù)與 GPS。 ? 自帶 1024 字節(jié) FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。 MPU6050 芯片坐標軸分布 如圖 所示。 KEIL 提供了包括 C 編譯器和功能強大的仿真調(diào)試等在內(nèi)的完整開發(fā)方案。 進入外部中斷 讀取模塊數(shù)據(jù) 姿態(tài)解算 DMP標志位 置 1 結(jié)束 第 19 頁 西華大學畢業(yè)設(shè)計說明書 圖 主程序流程圖 根據(jù)主程序流程圖 底層驅(qū)動主要使用到的部分如下： (1) USART1：外接擴展的傳感器模塊。 開始 初始化飛控板硬件設(shè)置 通信初始化 中斷初始化 驅(qū)動初始化 上位機如圖 所示。 對于每個滿量程的設(shè)置，加速度計測量值的靈敏度最低分辨率（ LSB）如下表 所示： 表 加速度計靈敏度最低分辨率 AFS_SEL Full Scale Range LSB Sensitivity 0 177。250176。/s 3 177。 /sec。Y 軸上，瞬時針轉(zhuǎn)動角速度為正，逆時針轉(zhuǎn)動角速度為負。所以我們期望得到的是姿態(tài)數(shù)據(jù)，也就是歐拉角：航向角（ yaw）、橫滾角（ roll）和俯仰角（ pitch）。模型圖如圖 所示。此時 ,R 就是重力向量 ,Rx=0. Ry=