【文章內(nèi)容簡介】 人機(jī)平穩(wěn)飛行控制的 關(guān)鍵 。 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 。 2 姿態(tài)控制系統(tǒng)的總體 方案 設(shè)計(jì) 姿態(tài)控制系統(tǒng)的架構(gòu)與方案比較 四旋翼飛行器姿態(tài)控制 系統(tǒng)的總體架構(gòu)必須要有傳感器以及 MCU 等器件組成。傳感器負(fù)責(zé)四旋翼飛行器飛行姿態(tài)信息的采集并轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 以便和 MCU 進(jìn)行通信 ；MCU 負(fù)責(zé)采集傳感器的輸出信號(hào)，并將采集進(jìn)來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的 變 量，并通過讀取的 變 量對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行智能化控制。 MCU 的 功能分析 (1) 采用 ATMEGA2560單片機(jī)作為四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的 MCU,該單片機(jī) 擁4 有系統(tǒng)編程的片上引導(dǎo)程序、 JTAG 接口、廣泛的片上調(diào)試支持、兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較模式的 8 位定時(shí)器、 4 個(gè) 8 位 PWM輸出通道、主 /從 SPI串行接口。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。但是， ATMEGA2560 需要用 5V 電壓供電，功耗相對(duì)較大，并且它是 8 位單片機(jī)，處理精度還不夠高。 (2) 采用 ST 公司基于 ARM CORTEXM3 內(nèi)核為嵌入式開發(fā)領(lǐng)域?qū)ｉT推出的 STM32微處理器作為四旋翼飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng)的 MCU。本設(shè)計(jì)采用的是 STM32f103VCT6,該單片機(jī) 包含 JTAG、 2 個(gè) 16 位 的 輸入捕捉，輸出比較 以及 PWM 輸出通道的 定時(shí)器 、 2個(gè) 16 位看門 狗定時(shí)器、 3 SPI/I2S、 2 個(gè) I2C、 5 個(gè) USART、 USB 全速接口、 2 個(gè) 12位 D/ A 轉(zhuǎn)換器 、 快速 I/ O 端口，并且該單片機(jī)是 32 位 CortexM3 的微控制器， 控制精度較高，只需用 供電，功耗較低， STM32 還包含一個(gè) SysTick 的計(jì)時(shí)器 ，方便作為uCOSII 的時(shí)鐘源，且基于 ARM CORTEXM3 處理器的姿態(tài)控制系統(tǒng)還處在發(fā)展階段，所以選擇 STM32 微處理器作為四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的 MCU 具有一定的優(yōu)越性能和發(fā)展前景。 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。 MPU6050 集成了3 個(gè) 16 位 ADC 用于陀螺儀的數(shù)字化輸出和另外 3 個(gè) 16 位 ADC 用于加速度計(jì)的數(shù)字化輸出，該慣性測(cè)量元件還集成了一個(gè)低通濾波器和 DMP 數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器，可將測(cè)量出來的角速度和角加速度直接轉(zhuǎn)化成四元數(shù)輸出。 MPU6050 運(yùn)用的是 I2C 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信的速度可達(dá) 500kHz 以內(nèi)。 (2)采用 MPU6000 六軸慣性測(cè)量元件。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。 綜上所述： 本設(shè)計(jì)采用 STM32f103VCT6 為核心通過 SPI 的通信方式和 MPU6000 慣性測(cè)量元件進(jìn)行通信，來采集四旋翼飛行器的姿態(tài)信息進(jìn)而對(duì)飛行器的姿態(tài)進(jìn)行控制。 姿態(tài)控制方案的 選擇 四旋翼飛行器是通過主控板輸出 的四路 PWM 來 驅(qū)動(dòng) 電調(diào)，進(jìn)而去驅(qū)動(dòng) 四路電機(jī) 的帶動(dòng)兩對(duì)正反螺旋槳 高速旋轉(zhuǎn) ，來實(shí)現(xiàn)機(jī)體的 垂直運(yùn)動(dòng) 、 俯仰運(yùn)動(dòng) 、 滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 、 偏航運(yùn)動(dòng) 、 前后運(yùn)動(dòng) 、 側(cè)向運(yùn)動(dòng)等基本 的 6 個(gè)自由度 的飛行動(dòng)作 。 目前， 四旋翼飛行器的類型有“十”型飛行器和“ X”型飛行器。 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)。 2) “十”型飛行器的特點(diǎn) 從上面的分析不難看出，“十”型飛行器的 飛行靈活，可以運(yùn)動(dòng)的 方向 角度范圍較大，可以實(shí)現(xiàn) 較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，但是，在 控制機(jī)身 平穩(wěn)飛行時(shí)， 只有一對(duì)電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)方向，另外一對(duì)電機(jī)起平衡飛行的作用，所以“十”型飛行器的 姿態(tài)控制比較不穩(wěn)定 。 (2) “ X” 型飛行器 1) “ X” 型飛行器 的控制原理 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 25 垂直運(yùn)動(dòng) 圖 26 俯仰運(yùn)動(dòng) 圖 27 滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 7 圖 28 偏航運(yùn)動(dòng) “X”型飛行器垂直 運(yùn)動(dòng)和 “十 ”型飛行器的原理一樣， 當(dāng) 飛行器要執(zhí)行俯仰運(yùn)動(dòng)，將電機(jī) 1 和電機(jī) 2 的轉(zhuǎn)速 同時(shí) 增加，將電機(jī) 3 和電機(jī) 4 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) 2 和電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速減少電機(jī) 1 和電機(jī) 3 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) 4 的轉(zhuǎn)速，減少電機(jī) 2 和電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)機(jī)身的偏航運(yùn)動(dòng)；當(dāng)圖 26 和圖 27，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)。 2) “ X” 型飛行器的特點(diǎn) “ X” 型飛行器相對(duì)于“十”型飛行器而言，可以運(yùn)動(dòng)的方向角度相對(duì)較小，但是在控制姿 態(tài)上，飛行器的四個(gè)電機(jī)不僅其平衡機(jī)身的作用，在控制方向角上，四個(gè)電機(jī)也同時(shí)起作用，所以“ X”型飛行器的姿態(tài)控制會(huì)更加穩(wěn)定。 綜上所述， 本設(shè)計(jì) 選擇“ X”型飛行器的 姿態(tài) 控制 方案。 姿態(tài)控制 系統(tǒng) 的 總體 設(shè)計(jì) 四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制過程復(fù)雜， 信息量大，邏輯復(fù)雜， 時(shí)序繁多，有較高的試試性要求。實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器飛行的高度平穩(wěn)和控制及時(shí)是本設(shè)計(jì)的主要目的 。四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng) 的所有功能可以看作是 MCU 對(duì)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元 輸入信息采樣，經(jīng)處理后，將控制信息 偏移反饋到電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)身的智能化調(diào)節(jié)的 過程 。 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 。本設(shè)計(jì)采用了 STM32 定時(shí)器輸出四個(gè) PWM 信號(hào)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過外部中斷的采集來 采集遙控模塊的輸入 PWM,通過系統(tǒng)自帶的 SPI 來驅(qū)動(dòng)慣性測(cè)量單元 MPU6000，通過 AD 采集功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電量的管理等。 (2) 姿態(tài)信息 處理 通過硬件驅(qū)動(dòng) IMU 慣性測(cè)量單元 ，采集慣性測(cè)量單元輸出的姿態(tài) 數(shù)據(jù) 并進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成姿態(tài)控制系統(tǒng)所能識(shí)別的橫滾角、俯仰角和偏航角 。 本設(shè)計(jì)采用 四元數(shù)法 ， 通過8 慣性測(cè) 量元件采集的當(dāng)前飛行器的三軸加速度和角速度，轉(zhuǎn)化為四維向量，再做相應(yīng)的線性變換后輸出，利用四元數(shù)與歐拉角的關(guān)系，將四元數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的歐拉角就得到飛行器的的姿態(tài)。 (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。 (4)姿態(tài)調(diào)節(jié)的方法 對(duì)于四旋翼姿態(tài)的控制，本設(shè)計(jì)采用的是典型的控制理論中的 PID 控制，利用期望姿態(tài)和當(dāng)前姿態(tài)的偏差，通過 PID 控制作用輸出不同的四路 PWM 信號(hào)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)， 讓飛行器自我調(diào)節(jié)姿態(tài)直到滿足當(dāng)前的姿態(tài)與期望姿態(tài)的偏差為 0 為止。 (5)任務(wù)管理 μC/OSⅡ 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 姿態(tài)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵就是任務(wù)的劃分，本設(shè)計(jì)可以將控制系統(tǒng)分為調(diào)度管理任務(wù)、數(shù)據(jù)采集 (包括 IMU 姿態(tài)測(cè)量單元數(shù)據(jù)的采集和電池電量的 AD 采集 )、遙控任務(wù)、姿態(tài)調(diào)整等按照不同的優(yōu)先級(jí)分配管理任務(wù)。 3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)的 構(gòu)造首先必須要綜合考慮 STM32 自身的配置及其各個(gè)管腳的功能、復(fù)用功能的調(diào)用、各個(gè)芯片可靠的供電電流及其安全保護(hù)措施 ，又要考慮到 IMU 姿態(tài)傳感器的管腳需求，同時(shí)還要考慮充分利用 STM32 的資源，盡可能多的將功能口線外引出來為后面的開發(fā)和調(diào)試做好準(zhǔn)備。 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。在四旋翼飛行器飛行器過程中，姿態(tài)調(diào)節(jié)是一個(gè)高速調(diào)節(jié)的控制過程，就要求測(cè)量變量的敏感元件反應(yīng)速度快， 在飛行過程中，為了讓飛控系統(tǒng)更安全起見，我們要對(duì)電池電量實(shí)時(shí)關(guān)注，并返回給 MCU，讓 MCU 可以進(jìn)行一些安全性處理，硬件的總體結(jié)構(gòu)如圖所示 : 9 圖 31 硬件的總體框圖 基于 STM32 的 飛控主板的電路設(shè)計(jì) 本飛控主板采用的是 ST 公司的基于 ARM CORTEX 內(nèi)核的型號(hào)為 STM32VCT6 為核心處理器。同時(shí)為了以后的發(fā)展需要，還將系統(tǒng)內(nèi)部的 IO 端口，系統(tǒng)中的 SPI 總線、 I2C總線和多余的串口線外引出來，提高了飛控主板的用途和利用率。 電源模塊的設(shè)計(jì) 圖 32 電源模塊的設(shè)計(jì) 主板電路的電源采用 TPS79133 開關(guān)型穩(wěn)壓電源。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)。 FLASH 模塊的設(shè)計(jì) 圖 33 FLASH 模塊的設(shè)計(jì) STM32 本身具有較大的 存儲(chǔ)單元，但是為了以后主板能夠運(yùn)行各種不同的系統(tǒng)，采用 SPI 通信的 AT45DB161D 芯片，該芯片體積小，內(nèi)存大，有 4096 頁的每頁包含 528字節(jié)的存儲(chǔ)單元，傳輸速度快，最大可達(dá) 66Mhz 的傳輸速度，很適合主板的內(nèi)存外擴(kuò)。 接收機(jī)輸入 PWM 的設(shè)計(jì) 圖 34 輸入 PWM 的設(shè)計(jì) 接收機(jī)輸入 PWM 的接口占用八個(gè) STM32 的 IO 接口，該接口可以外接一個(gè)接收器用來接收遙控器的信號(hào)，通過接收到遙控器發(fā)射出來的 PWM 信號(hào)不同的占空比對(duì)飛行器進(jìn)行各個(gè)方向的控制。 控制電機(jī) PWM 輸出信號(hào)的設(shè)計(jì) 圖 35 輸出 PWM 電路的設(shè)計(jì) 控制電機(jī)的 PWM 輸出信號(hào)占用了 STM32 的定時(shí)器 1 四個(gè)輸出 PWM 輸出接口和定時(shí)器 3 的四個(gè)輸出 PWM 輸出接口，每個(gè)接口的輸出經(jīng)過電阻電容的濾波使得波形更加11 穩(wěn)定，然后將該接口接到電調(diào)，通過電調(diào)去驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)，控制飛行器的飛行。 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)。 為了節(jié)約空間，主板只引出了一個(gè)接地信號(hào)，用戶可以將 JTAG 進(jìn)行修改，將所有的 JTAG 的接地信號(hào)都同這根引腳進(jìn)行短接，不影響 JTAG的功能。 USB 接口的設(shè)計(jì) 圖 37 USB 接口的設(shè)計(jì) 將 STM32 的 USB 接口引出來，可以方便用戶進(jìn)行下載程序，同時(shí)該接口采用通用的迷你 USB，使得主板和 PC 機(jī)的通信更加高速及時(shí)，而且更加方便用戶的操作。由于USB 是高速信號(hào) ，所以在布線的時(shí)候 必須要注意 PA11 和 PA12 兩條線必須是差分等長線路。 12 MPU6000 電路 的設(shè)計(jì) 圖 38 MPU6000 接口的設(shè)計(jì)