【文章內(nèi)容簡介】 信號(hào)原理簡介 本 設(shè)計(jì) 采用的遙控器是天地飛 6通道遙控器，由于本課題研究四旋翼飛行器，只需要其中 4個(gè)通道即可完成姿態(tài)控制。該遙控器接收機(jī)的輸出為 PPM輸出，如圖 42所示為 PPM(脈沖位置調(diào)制 )的原理圖。 每 個(gè)通道的高電平持續(xù)時(shí)間即對(duì)應(yīng)該通道搖桿的位置，從而起到控制輸入的作用。其 PPM周期為 20ms,高電平電壓為 +5V,高電平持續(xù)時(shí)間為 1ms 至 2ms。 PPM 信號(hào)解碼流程圖如 圖42 所示。這里使用 AVR 單片機(jī)具有的引腳電平變化中斷來實(shí)現(xiàn) PPM 高電平時(shí)間的讀取不僅節(jié)省 CPU 時(shí)間而且還精確。 PPM 解碼程序設(shè)計(jì)與關(guān)鍵程序段說明 傳感器接收機(jī)能夠提供 6路 PPM信號(hào)。而本設(shè)計(jì)只需要其中 4路，即四個(gè)通道。本設(shè)計(jì)采用“引腳電平變化中斷 ”來實(shí)現(xiàn) PPM解碼。 觀察 PPM原理圖可發(fā)現(xiàn)引腳電平只有 2種變化方式，分別是從 高到低和從低到高。引腳電平從高到低對(duì)應(yīng)高電平結(jié)束，從低到高意味著高電平開始。所以每次進(jìn)入中斷后讀取引腳狀態(tài)，對(duì)前后兩次進(jìn)入中斷時(shí)的引腳狀態(tài)進(jìn)行異或運(yùn)算就能確定是哪個(gè)引腳觸發(fā)了 PCINT中斷。利用 Arduino IDE自帶的 micros（）函數(shù)記錄兩次進(jìn)入 PCINT中斷的時(shí)間。如此便可以獲得 PPM某通道高電平時(shí)間。 PPM 信號(hào)解碼流程圖如圖 42所示。這里使用 AVR 單片機(jī)帶有的引腳電平變化中斷來實(shí)現(xiàn) PPM高電平時(shí)間的讀取不僅節(jié)省 CPU 時(shí)間而且還精確。 開 始進(jìn) 入 P C I N T中 斷記 錄 此 刻 時(shí)間 T 1 確 定 是引 腳 x 上 電平 發(fā) 生 變 化T 2 = T 1p p m l n V a l u e [ x ]= T 1 T 2結(jié) 束由 高 變 低否是 圖 42 PPM 解碼流程圖 PPM通道 1解碼代碼如下： ISR(PCINT2_vect){ static uint8_t pindlast。 uint8_t chan,pindnow。 uint16_t time。 static uint16_t last[4],now[4]。 time = micros()。 //獲得此刻時(shí)間 pindnow = PIND。 chan = pindlast^pindnow。 //確定 PCINT中斷發(fā)生在哪個(gè)引腳 if(chanamp。(12)){ //通道 1 now[0] = time。 if(pindnowamp。(12))last[0] = now[0]。 else{ppmInValue[0] = now[0] last[0]。} //將此刻時(shí)間點(diǎn)與上次 PCINT時(shí)間相減 }//從而獲得高電平持續(xù)時(shí)間 執(zhí)行模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 本設(shè)計(jì)中，利用電子調(diào)速器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電子調(diào)速器的油門是線性的，意味著給電子調(diào)速器輸入的 PWM波形的高電平時(shí)間正比于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩 M。飛行器在空中平衡時(shí)有 21wkfM 風(fēng) ?? （ 41） 其中 為螺旋槳角速度。而查閱空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)可知螺旋槳升力 升與 有如下關(guān)系 22wkF升 ? （ 42） 由此可見 ?? 升FM （ 43） 又有 PWM高電平時(shí)間正比與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩 M，如此一來，我們則可以通過控制 PWM波形的高電平時(shí)間來線性的控制機(jī)體獲得的升力 。由此，飛行控制系統(tǒng)輸出的 PWM信號(hào)輸出與飛行器獲得升力呈線性，給使用 PID算法在一定條件下控制飛行器帶來了可能 [10]。 此外，本文使用的中特維電調(diào)其識(shí)別高電平閾值在 2V 至 5V 之間，高電平持續(xù)時(shí)間在1ms至 2ms之間 ,1ms和 2ms長的高電平信號(hào)分別對(duì)應(yīng)無刷電機(jī)的停止轉(zhuǎn)動(dòng)和最高轉(zhuǎn)速 。PWM周期可在 2ms 至 20ms 之前變化 ,對(duì)應(yīng) 500Hz 至 50Hz的無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速更新頻率。飛行器要求具有很高的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度 ,因此要求無刷電器驅(qū)動(dòng)器具有很高的轉(zhuǎn)速更新頻率 ,考慮到硬件平臺(tái)所用晶振 16MHz 和 Timer/Counter0 和 Timer/Counter1 分頻器的可設(shè)置值， PWM周期取約,即具有約 244Hz 的轉(zhuǎn)速更新頻率 [11]。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊程序框圖 開 始獲 得 此 時(shí) 油 門對(duì) 應(yīng) 的 電 機(jī) 轉(zhuǎn)速 p w m _ b a s e獲 得 此 時(shí) 油門 增 量p w m _ e r r [ 0 ]獲 得 此 時(shí) 油門 增 量p w m _ e r r [ 1 ]獲 得 此 時(shí) 油門 增 量p w m _ e r r [ 2 ]獲 得 此 時(shí) 油門 增 量p w m _ e r r [ 3 ]獲 得 此 時(shí) 油門 增 量p w m _ b a s e +p w m _ e r r [ 0 ]獲 得 此 時(shí) 油門 增 量p w m _ b a s e +p w m _ e r r [ 1 ]獲 得 此 時(shí) 油門 增 量p w m _ b a s e +p w m _ e r r [ 2 ]獲 得 此 時(shí) 油門 增 量p w m _ b a s e +p w m _ e r r [ 3 ]結(jié) 束 圖 43 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序框圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出模塊的功能就是利用 AVR 的 Timer/Counter1 和 Timer/Counter2 輸出定周期可調(diào)占空比的 PWM波形。依據(jù)電子調(diào)速器對(duì) PWM 波形的周期要求，需要輸出周期在 500HZ以內(nèi)的 PWM 波形。由于單片機(jī)采用 16MHZ 晶振，所以在預(yù)分頻的設(shè)置上只能 選擇 256 分頻才能滿足電子調(diào)速器對(duì)周期的要求， 256 分頻的結(jié)果是獲得的 PWM 波頻率為 244HZ。而在調(diào)節(jié) PWM 高電平時(shí)間的時(shí)候，只需分別向 OCR1A、 OCR1B、 OCR2A、 OCR1B 內(nèi)寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)即可從對(duì)應(yīng)的 PWM 輸出端口獲得不同高電平時(shí)間的 244HZPWM 波。輸出高電平時(shí)間 （單位： s）的計(jì)算公式如下所示（以 OCR1A為例）。 //**************** //PWM初始化模塊 //**************** voidpwm_init(void){ //***************8bit T/C2 初始化 *******************/ TCCR2A = (1COM2A1) | (1COM2B1) | (1WGM21) | (1WGM20)。 //設(shè)置為快速 PWM TCCR2B = (1CS22) | (1CS21)。 //256 prescaleing //***************16bit T/C1初始化 *******************/ TCCR1A = (1COM1A1) | (1COM1B1) | (1WGM10) 。 //設(shè)置為快速 PWM TCCR1B = (1WGM12) | (1CS11) 。//256 prescaleing } //**************** //電機(jī) 1的 PWM輸出 //**************** voidpwm_out(uint16_t pwm_base){ static uint16_t chan3。 if(pwm_base!=chan3) {OCR1A = (pwm_base+pwm_erro[0] 1024)*+63。} //重設(shè) OCR1A改變 PWM占空比 chan3 = pwm_base。 } 傳感器模塊 與傳感器的 IIC 通信時(shí)序 此模塊的作用是獲取 MPU6050 中加速度傳感器和陀螺儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，核心就是使用AVR 單片機(jī)自帶的硬件 IIC 模塊和外部模塊通信。查詢 Atmega328p 單片機(jī)的 datasheet 和MPU6050 的 datasheet，可以輕松的得到進(jìn)行 IIC 操作時(shí)應(yīng)該遵循的時(shí)序。讀取 MPU6050 數(shù)據(jù)的時(shí)序圖如 下 圖所示： 圖 44 讀取 MPU6050 圖 45 寫 MPU6050 由圖知 ，在讀寫 MPU6050 的時(shí)候單片機(jī)需要在 Master Transmitter Mode 和 Master Receiver Mode 之間切換，在此不再贅述。 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊關(guān)鍵程序段說明 該模塊的主要作用是通過 IIC總線協(xié)議讀取 MPU6050傳感器模塊獲得的加速度和陀螺儀原始數(shù)據(jù)，故只要按著上述讀寫時(shí)序一步步完成即可。但傳感器數(shù)據(jù)為 16位，而 IIC總線每個(gè)數(shù)據(jù)幀只能讀 8位數(shù)據(jù)。 MPU6050通過 IIC先發(fā)送寄存器高 8位數(shù)據(jù)，再發(fā)送低 8位，如此一來，就需要利用位移語句，將首先接收到的 8位數(shù)據(jù)緩存 ，再左移 8位，再和后發(fā)送的低 8位數(shù)據(jù)做位與運(yùn)算，使得他們?nèi)诤蠟橐粋€(gè) 16位數(shù)據(jù)。要注意這里的 16位數(shù)據(jù)是有符號(hào)的。 兩 8位融合成 16位數(shù)據(jù)程序段如下： if(reg==0x3B){ RAW_ACC_X = ((rawADC[0]8)|(rawADC[1]))。 RAW_ACC_Y = ((rawADC[2]8)|(rawADC[3]))。 RAW_ACC_Z = ((rawADC[4]8)|(rawADC[5]))。 }else{ RAW_GYRO_X = ((rawADC[0]8)|(rawADC[1]))。 RAW_GYRO_Y = ((rawADC[2]8)|(rawADC[3]))。 RAW_GYRO_Z = ((rawADC[4]8)|(rawADC[5]))。 } 姿態(tài)解算模塊 姿態(tài)解算原理 姿態(tài)解算模塊的主要功能有兩個(gè)，一個(gè)是對(duì)傳感器獲得的加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得各自所計(jì)算出來的飛行器此時(shí)的歐拉角，第二個(gè)是通過傳感器數(shù)據(jù)融合計(jì)算，得到飛行器此刻的姿態(tài)角準(zhǔn)確值。 利用加速度計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算歐拉角使用的是三角函數(shù)方法。其原理如下圖 46 所示 圖 46 加速度傳感器傾斜檢測示意圖 利用三軸加速度計(jì)進(jìn)行傾斜檢測的一種方法是基于一個(gè)參照點(diǎn)分別確定加速度計(jì)各個(gè)軸的角度。參照點(diǎn)取器件的典型取向 ,其中 X軸和 Y 軸位于水平面內(nèi) (0g場 ),Z 軸與水平線垂直 (1g場 )。如圖 所示 ,其中 為水平線與加速度計(jì) X 軸的夾角 , 為水平線與加速度計(jì) Y軸的夾角看 , 為重力矢量與 Z軸的夾角。在 X 軸和 Y軸的起點(diǎn) 0g處以及 Z軸上 1g處 ,計(jì)算得到的所有角度均為 0 度。由基本三角函數(shù)可知 ,可利用下列公式計(jì)算傾斜角度 [12]。 但是飛行器時(shí)刻是運(yùn)動(dòng)的 ,加速度計(jì)測得的數(shù)據(jù)中就不 可避免的含有運(yùn)動(dòng)加速度 ,因此只利用加速度計(jì)求出旳飛行器姿態(tài)具有較大的誤差 ,所以就需要一定的算法來估計(jì)加速度計(jì)的誤差 ,實(shí)時(shí)修正飛行器的姿態(tài) [13]。 陀螺儀測量的是集體繞著某軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，由于原理較為復(fù)雜，這里不加敘述。 濾波的方法有很多，商業(yè)四軸飛行器為了保證穩(wěn)定性一般都使用復(fù)雜的卡爾曼濾波。但是卡爾曼濾波運(yùn)算復(fù)雜，加長程序循環(huán)時(shí)間，會(huì)造成諸如陀螺儀積分漂移增加等情況，故本文采用互補(bǔ)濾波方式進(jìn)行濾波。互補(bǔ)濾波計(jì)算簡單，設(shè)計(jì)方便，可以很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合。 互補(bǔ)濾波器是一種頻域特性濾波器 ,經(jīng)常用來融合 由不同傳感器測量得到的具有相似物理意義的數(shù)據(jù) ,摒棄每個(gè)數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)從而估算出準(zhǔn)確的參數(shù)。嚴(yán)格意義上講 ,互補(bǔ)濾波器包含兩種或兩種以上的頻率特性互補(bǔ)的傳遞函數(shù)。例如常見的兩輸入系統(tǒng) ,兩個(gè)輸入量的物理意義相同 ,但是某個(gè)輸入量也含高頻噪聲 ,需要加低通濾波器以濾除噪聲 。另外一個(gè)輸入量包含低頻噪聲干擾 ,因此需要高頻濾波器除去低頻噪聲。低通濾波器與高通濾波器頻率特性互補(bǔ) ,所以最終的輸出是濾除噪聲的準(zhǔn)確的數(shù)據(jù) [14]。 陀螺儀響應(yīng)速度快 ,但是會(huì)受到零點(diǎn)隨溫度漂移產(chǎn)生低頻干擾；加速度傳感器用來測量重力加速度矢量 ,響應(yīng)速度也非 常高 ,但是會(huì)因?yàn)槲⑿_動(dòng)產(chǎn)生高頻噪音干擾；數(shù)字羅盤測量當(dāng)?shù)氐卮艌鍪噶?,數(shù)據(jù)測量比較準(zhǔn)確 ,但響應(yīng)速度較慢，也會(huì)受電機(jī)電磁場的高頻干擾而陀螺儀的數(shù)字積分又不可避免的帶來積分漂移問題，由此可知，三種傳感器測量相同的量在頻域內(nèi)特性互補(bǔ) ,濾波算法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)的融合是很合適的 [15]。 互補(bǔ)濾波主要是對(duì)加速度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波以削去高頻分量，一般而言高平分量即為加速度傳感器的擾動(dòng)量；對(duì)陀螺儀進(jìn)行高通濾波，濾去低頻分量，低頻分量意味著信號(hào)中頻率較低周期較長的部分，這樣一來便可濾去加速度陀螺儀積分漂移產(chǎn)生的 誤差，在完成濾波之后，就能獲得四軸飛行器的較為準(zhǔn)確的姿態(tài)角。 姿態(tài)解算模塊關(guān)鍵程序段說明 姿態(tài)解算模塊的作用就是實(shí)時(shí)獲得飛行器準(zhǔn)確的飛行姿態(tài)，由此這個(gè)模塊里最關(guān)鍵的程序段就是互補(bǔ)濾波算法了?；パa(bǔ)濾波器已在前文中完成了設(shè)計(jì)，但可以從前文中發(fā)現(xiàn)，微分時(shí)間 dt的大小嚴(yán)重影響該濾波器的性能，所以要嚴(yán)格控制 dt大小不變。 dt是每兩次采樣的時(shí)間間隔，通過如下程序段控制 dt為 STD_LOOP_TIME不變。 Time1 = time2。 // 上一次采樣時(shí)刻 (ms) time2 = millis()。 // 當(dāng)前時(shí)刻 (ms