【文章內(nèi)容簡介】 一手資 料，請盡快聯(lián)系 BOSCH 公司。 BMP085 的低功耗、低電壓的電學(xué)特性使它可以很好的適用于手機、 PDA、 GPS導(dǎo)航器件以及戶外裝備上。 BMP085 在低的高度噪聲（ merely ）快速轉(zhuǎn)換的情況下，表現(xiàn)很好。 BMP085 是基于壓阻效應(yīng)技術(shù)的，具有穩(wěn)定的電磁兼容性、高精度、線性性以及穩(wěn)定性。 Bosch 公司的氣壓傳感器（在自動控制應(yīng)用領(lǐng)域）是世界市場上的領(lǐng)軍，基于 200 百萬氣壓傳感器這制造經(jīng)驗， BMP085 繼續(xù)了新一代的微型氣壓傳感器 [8]。 關(guān)鍵特性 ： 壓力范圍： 300~1100hpa（ +9000m~500m 海拔高度）； 電壓范圍： ~（ VDDA）， ~（ VDDD）； 封裝大?。洪L寬 5*5mm 高 ； Low power 、 Low noise； 內(nèi)含溫度測量 I2C 接口； 全標(biāo)準(zhǔn)（內(nèi)含標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)）； MSL1 PTN78000W 介紹 PTN78000 是一系列的高效率，降壓集成開關(guān)穩(wěn)壓器（ ISR），在系列產(chǎn)品中受歡迎的 78ST100 第三代演變。新的設(shè)計考慮了 78ST100， PT78ST100， PT5100，和 PT6100 系列單列直插引腳（ SIP）的產(chǎn)品。 PTN78000 是比它的之前系列產(chǎn)品更小更輕，并具有類似的或改進(jìn)的電氣性能特點。在要求體積小的情況下，雙面封裝，也具有更好的熱性能，符合 RoHS 和無鉛。 運作在寬輸入電壓范圍，提供了高效的 PTN78000，設(shè)置使用一個外部電阻器降壓電壓轉(zhuǎn)換為高達(dá) 的輸出電壓的負(fù)載。 PTN78000w 可設(shè)置范圍內(nèi)的任何值 至 ，和從 V 到 22V 的輸出電壓的 PTN78000w 的 PTN78000h可低至 2V 低于輸入，允許工作到 7V，在 5V 的輸出電壓的 ptn78000h 輸出電壓可低至 3V 低于輸入，允許運行到 15V， 12V 的輸出電壓。 PTN78000 具有欠壓鎖定和積分 /關(guān)閉抑制。該模塊是適用于各種各樣的通用應(yīng)用程序，用 12V， 24V，或 28V 電壓供電 [9]。 圖 22： PTN7800w Figure 22： PTN7800w WIFI 模塊 USRWIFI232T 超低功耗嵌入式 WIFI 模組提供了一種將用戶的物理設(shè)備連接到 WIFI 無線網(wǎng)絡(luò)上，并提供 UART 串口等接口傳輸數(shù)據(jù)的解決方案。該模組硬件上集成了 MAC，基頻芯片，射頻收發(fā)單元，以及功率放大器；嵌 入式的固件則支持 WIFI 協(xié)議以及配置，以及組網(wǎng)的 TCP/IP 協(xié)議棧。 USRWIFI232T是一款一體化 ，通過 USRWIFI232T模組，傳統(tǒng)的低端串口或 MCU 控制的設(shè)備均可以很方便的接入 WIFI 無線網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制與管理。 USRWIFI232T采用業(yè)內(nèi)最低功耗嵌入式結(jié)構(gòu)，并針對智能家具，智能電網(wǎng)，手持設(shè)備，個人醫(yī)療，工業(yè)控制等這些低流量低頻率的數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用，做了專業(yè)的優(yōu)化。 USRWIFI232T 是一款集成了所有 WIFI 功能的小巧 模塊，尺寸僅 22mm x x 6mm。針對照明和插座等應(yīng)用領(lǐng)域采用了 1x10 管腳 2mm 插針連接器，易于焊裝在客戶產(chǎn)品的硬件單板電路上。模塊配備有特制的焊盤或外置天線連接器，適于各種外置天線的應(yīng)用 [10]。 系統(tǒng) 硬件概述 四旋翼無人飛行器系統(tǒng)主要包括： DSP 最小系統(tǒng)、六軸傳感器、氣壓計、電子羅盤、電調(diào)、電機、機架、機翼 和 電源。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示， DSP 采用TMS320F28335，它是整個系統(tǒng)控制的核心部件。六軸傳感器、氣壓計、電子羅盤作為系統(tǒng)對飛行器姿態(tài)和空間狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集。電源采用 PTN7800w 將 12v 電池轉(zhuǎn) 的直流。至于如何進(jìn)行飛行姿態(tài)的數(shù)據(jù)采集、姿態(tài)控制和電源穩(wěn)定供電，它的選擇直接影響整個系統(tǒng)的效果，下一節(jié)將介紹有關(guān)于這方面的選擇，這里就不做介紹。 圖 23：系統(tǒng)樣式 Figure 23: System style 方案選擇 方案設(shè)計 根據(jù)設(shè)計題目基于 DSP 的四旋翼無人飛行系統(tǒng)的設(shè)計可知，系統(tǒng)采用的是DSP 為控制器件，通過其強大的浮點運算單元，可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費過多的時間 和精力，與前代 DSP 相比，平均性能提高 50%。利用高精度 HRPWM 控制四旋翼，能夠更好實現(xiàn)算法要求，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。為此提出了關(guān)于兩種實現(xiàn)四旋翼無人飛行器系統(tǒng)的設(shè)計方案，下面將一一為大家介紹。 方案一：原始傳感器數(shù)據(jù)處理融合、卡爾曼濾波和 PID 姿態(tài)控制 在運動控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)上就往往將速度傳感器測量到的速度和加速度計測量到的加速度進(jìn)行單獨處理，沒有將兩者的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。由物理定律可知，加速度與速度成導(dǎo)數(shù)關(guān)系，所以兩者的數(shù)據(jù)是存在內(nèi)在聯(lián)系的，完全可以根據(jù)信息融合理論對兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，從而得到更加準(zhǔn)確的 結(jié)果?？柭鼮V波器是常用的一種數(shù)據(jù)融合技術(shù)，它利用迭代遞推計算的方式，對存貯空間要求很小。再利用 PID 算法將采集得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制處理實現(xiàn)飛行器的平穩(wěn)可控飛行。 方案二：利用 MPU6050 內(nèi)部基礎(chǔ) DMP、 PID 控制算法 通過查閱 MPU6050 芯片資料，內(nèi)部集成了 DMP 運動處理器，可以最六軸數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理得到四元數(shù)數(shù)據(jù)，最后通過 I2C 輸出到 DSP 芯片中。再結(jié)合電子羅盤和氣壓計傳感器得到的數(shù)據(jù)再進(jìn)一步融合就得到了飛行器的實時姿態(tài)數(shù)據(jù)。最后利用 PID 算法將采集得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制處理實現(xiàn)飛行器的平穩(wěn)可控飛行。 方案比較 1）復(fù)雜性：方案一采取用原始數(shù)據(jù)融合，卡爾曼濾波算法等操作；而這些過程在方案二中使用 DMP 和簡單數(shù)據(jù)融合操作就可以代替，所以方案二設(shè)計簡單。 2）準(zhǔn)確性：方案一和方案得到的數(shù)據(jù)通過查閱數(shù)據(jù)手冊都是一樣結(jié)果，比較精確， 并且響應(yīng)速度快 。 3）局限性：由于方案一中使用的 DSP 處理程序比較復(fù)雜，因為涉及到現(xiàn)代信號處理超出了我們的學(xué)習(xí)范圍，而方案二傳感器內(nèi)部數(shù)據(jù)處理就使程序簡單化了。 綜合 以上理由， 本系統(tǒng) 選擇方案 二 。 硬件 平臺 總體設(shè)計 硬件平臺大致可以分為 4 個部分：核心部分（ TMS320F28335）、傳感器部分（ MPU6050、 HMC5883L、 BMP085）、電源供電部分、機架和機翼部分。 總體設(shè)計框圖如圖 23 所示： T M S 3 2 0 F 2 8 3 3 53 S 2 2 0 0 m A電 池 電 源電 調(diào) A電 調(diào) B電 調(diào) C電 調(diào) D無 刷 電 機 A無 刷 電 機 B無 刷 電 機 C無 刷 電 機 DB u c k 電 源 轉(zhuǎn) 換 輸出 5 v / 3 . 3 v四 路p w m 控制 信 號九 軸 姿 態(tài) 傳 感 器( M P U 6 0 5 0 + H M C 5 8 8 3 L )氣 壓 計 ( B M P 0 8 5 )W i F i 無 線 通 訊 模 塊 圖 23硬件系統(tǒng)總體框圖 Figure 23 The overall block diagram of hardware system 系統(tǒng)主要由 DSP、傳感器、電源模塊和電機等組成。系統(tǒng)的工作方式主要是，對傳感器進(jìn)行快速數(shù)據(jù)采集，將采集得到的數(shù)據(jù)輸入到 DSP 中，通過對數(shù)據(jù)融合濾波等處理后進(jìn)行 PID 算法實時控制 飛行器姿態(tài)，同時和上位機保持?jǐn)?shù)據(jù)通信，是的上位機能搞實時采集飛行器的數(shù)據(jù)以及對飛行器進(jìn)行姿態(tài)控制。 工作過程： 上機之后等待上位機命令，當(dāng)?shù)玫狡痫w命令后，轉(zhuǎn)動機翼開始起飛。飛行過程中，實時采集姿態(tài)數(shù)據(jù)， DSP對姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后通過 PID算法對飛行器飛行姿態(tài)進(jìn)行控制使得平穩(wěn)飛行。電源選擇 DC12V 電池供電，在經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換得到 5v 和 輸出。 電機控制電路 本研究采用直接利用商品電調(diào)控制無刷電機方案，實現(xiàn)了 DSP 輸出 PWM 脈沖控制電調(diào)，從而對電機達(dá)到線性控制目的。控制方式為調(diào)整輸出 PWM周期 為 10ms，停車為 1ms 高電平，最大油門值為 2ms 高電平。 MPU6050+ HMC5883 九軸數(shù)據(jù)采集 MPU6050 的角速度全格感測范圍設(shè)定為177。 250/sec(dps)，可準(zhǔn)確追蹤快、慢速動作，該傳感器傳輸可透過最高至 400kHz 的 IC，精確采集四旋翼飛行器 3個方向的角速率和線加速度。 在慣性導(dǎo)航算法中，導(dǎo)航參數(shù)會隨著傳感器的測量誤差積累而發(fā)散，因而不能長時間自主飛行，故選用霍尼韋爾公司的三軸式數(shù)字羅盤 HMC5883 校準(zhǔn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)。采用 I2C 協(xié)議通信，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路之后可以和 DSP 的 I2C口通信。 WIFI 無線通信電路 無線通信模塊是四旋翼無人飛行器和地面控制中心通信的橋梁。本研究要求的無線傳輸距離為 100m 左右。利用 WIFI 進(jìn)行無線通信。通過 PC 機內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 協(xié)議棧以及 TCP/IP 協(xié)議棧實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，同時 WIFI 信息傳送數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到 600Mbps，配置、使用方便，在 100m 之內(nèi)傳輸穩(wěn)定可靠。最終可實現(xiàn)上位機對其數(shù)據(jù)采集和實時操控。 通過 DSP 與 WIFI 模塊通過 UART 串口連接，通過串口通信使得數(shù)據(jù)發(fā)送和接受能夠快速進(jìn)行。通訊方式采用的是異步串行通 信，支持全雙工串行通信，通過編程可以將 8 位字節(jié)數(shù)據(jù)寫入 UART 中， UART 自動將改接的 8位二進(jìn)制數(shù)變成串行數(shù)據(jù)，在不同時刻從 TXD 引腳輸出發(fā)送；同時對于不同時刻從引腳 RXD輸入的串行數(shù)據(jù)， UART 自動變換成字節(jié)，可以編程讀取后進(jìn)行處理。 上下位機通信協(xié)議如下： 1）下位機發(fā)送，上位機接收： 0x88 0xA1 數(shù)據(jù) ?? 數(shù)據(jù) 校驗位 2）上位機發(fā)送，下位機接收： 0x88 0xA2 數(shù)據(jù) ?? 數(shù)據(jù) 校驗位 電源電路 電源設(shè)計利用 3S2200mA 電池輸出 12v 電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到。因為電池電量不夠大，所以設(shè)計時候使用開關(guān)電源 Buck 電路實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率輸出得到 5v 電壓，最后利用 穩(wěn)定電壓給各個傳感器供電，保證穩(wěn)定工作。 同時在為了節(jié)省飛行器空間，在電源電路板上實現(xiàn) PWM 等轉(zhuǎn)接輸出實現(xiàn) DSP飛控控制和電池電壓采集。 圖 24 電源電路 Figure 24 The power supply circuit 圖 25 電源電路 PCB Figure 25 The power supply circuit PCB 第三章 四旋翼無人飛行器系統(tǒng)軟件設(shè)計 四旋翼 飛行器系統(tǒng)飛控軟件設(shè)計 四旋翼飛行器運動分析 （ a ） 垂 直 運 動（ d ） 偏 航 運 動（ b ） 俯 仰 運 動（ e ） 前 后 運 動（ c ） 滾 轉(zhuǎn) 運 動（ f ） 側(cè) 向 運 動 圖 31 四旋翼運動姿態(tài)控制圖 Figure 31 Four rotor motion attitude control chart 四旋翼飛行器采用四個旋翼作為飛行的直接動力源，旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，旋翼 1 和旋翼 3 逆時針旋轉(zhuǎn)，旋翼 2和旋翼 4順時針旋轉(zhuǎn)，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設(shè)備。 典型的傳統(tǒng)直升機配備有一個主轉(zhuǎn)子和一個尾漿。他們是通過控制舵機來改變螺旋槳的槳距角，從而控制直升機的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器與此不同，是通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。由于飛行器是通過改變旋翼轉(zhuǎn)速實現(xiàn)升力變化，這樣會導(dǎo)致其動力不穩(wěn)定，所以需要一種能夠長期確保穩(wěn)定的控制方法。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直起降機，因此非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行。但是四旋翼飛行器只有四個輸入力，同時卻有六個狀 態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。 四旋翼飛行器數(shù)學(xué)建模 ? ?? ?? ?.. .2 2 3 41 2 3 4 1.. .22221 2 3 4 2.. .22221 2 3 4 3si n /si n c os /c os c os /fffX k k X mY k k Y mZ k k Z m?????? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ???????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ???? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? 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(31) ? ?? ?? ?.. .224 2 4.. .223 1 5.. .2 2 2 21 2 3 4 61/1//fXfYmZk k Ik k Ik k I??????? ??? ? ? ? ? ???????? ??? ? ? ? ? ?? ??????? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? (32) 四旋翼飛行器仿真器具有極為復(fù)雜的動力學(xué)特性和特殊的飛行姿態(tài)，其動力學(xué)特性隨著飛行姿態(tài)而發(fā)生相應(yīng)的變化，具有非線性、多變量耦合的特點。本項目利