【文章內(nèi)容簡介】 簡約的控制流程框圖，但卻不簡單。 開發(fā)工具和開發(fā)框架介紹 Altium Designer 介紹 Altium Designer 是 Altium公司為電子產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計者推出的一款集原理圖設(shè)計、仿真、PCB 布局繪制、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析等功能于一體的 EDA 軟件。本設(shè)計采用的是本公司的試用版的 Altium Designer 進行雙層 PCB 電路板的繪制。應(yīng)用到的功能有原理圖庫的封裝設(shè)計，原理圖設(shè)計， PCB 庫的封裝設(shè)計， PCB 規(guī)則設(shè)置及 PCB 布線S t a r t姿 態(tài) 角 度 采 集數(shù) 字 濾 波 器 濾 波融 合 計 算 傾 角是 否 有 偏 差NP I D 運 算 控 制 量矢 量 分 解 于 相 應(yīng) 電 機E N DY圖 四旋翼飛行器控制流程圖 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計） 9 布局等功能。本次設(shè)計所繪制的電路板性能比較穩(wěn)定，暫時還沒發(fā)現(xiàn)任何問題。 AD 公司的軟件圖標如圖 8 所示。 Keil for ARM 介紹 Keil for ARM 是 Keil Software 與 ARM 合作開發(fā)應(yīng)用于 ARM 編程的軟件編譯環(huán)境，其優(yōu)點是擁有極高的目標代碼生成效率，緊湊的匯編代碼轉(zhuǎn)化； C 語音編程方面，結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性更強，友好的編輯環(huán)境通俗易懂，在程序下載燒錄方面，更是簡單快捷。 Serial_Digital_Scope V2 介紹 Serial_Digital_Scope V2 中文稱虛擬數(shù)字示波器，通過調(diào)用互聯(lián)網(wǎng)上提供的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，移植到系統(tǒng)程序中，再應(yīng)用微控制器的串口，向上位機發(fā)送虛擬示波器的四路采集數(shù)據(jù)，在調(diào)試互 補濾波器、角度矢量輸出、控制量輸出特性觀測的調(diào)試過程中，虛擬示波器是不可缺少的工具，在整個系統(tǒng)開發(fā)的過程中，大部分的調(diào)試結(jié)果都通過它來顯示。在此，向提供虛擬示波器函數(shù)庫的前輩致敬。虛擬示波器的界面如圖 所示。 圖 Altium Designer 登陸界面 圖 虛擬示波器界面 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計） 10 4 四旋翼飛行器 詳細 方案 設(shè)計 本章節(jié)將從硬件及相應(yīng)的驅(qū)動軟件進行講解四旋翼飛行器的詳細方案設(shè)計。 硬件 模塊的功能 及設(shè)計 硬件模塊包括最小系統(tǒng)板、電源、傾角傳感器、空心杯電機驅(qū)動及 NRF24L01 無線遙控模塊。 最小系統(tǒng)板 STM32F103 模塊 STM32F103 是 ST 公司推出的一款基于 ARM 的 32 位增強型微處理芯片，該芯片是基于 CortexM3 CPU 內(nèi)核開發(fā)的，芯片自帶 512K 的 FLASH，豐富的 GPIO 資源，其復(fù)用引腳功能有 USB、 CAN、 IIC、 SPI、 11 個定時器、 3 個 ADC 和 13 個通信接口。 本次設(shè)計用到了 GPIO、 IIC、 SPI、定時器、 ADC 這幾個功能。最小系統(tǒng)板的原理圖如圖 所示。 圖 最小系統(tǒng)板原理圖 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計） 11 低壓差電源模塊 航模動力電池提供的電壓是 最左右，這就決定了 的電源穩(wěn)壓模塊必須采用低壓差的穩(wěn)壓芯片， LP2985 貼片封裝穩(wěn)壓芯片是一個不錯的選擇，在 的范圍內(nèi)，該芯片都能輸出穩(wěn)定的 直流電，其電路原理圖如圖 所示。 傾角傳感器模塊 傾角傳感器采用集成的 MPU6050 模塊，該模塊測量的傾角數(shù)據(jù)通過 IIC 通信協(xié)議傳給控制器。該芯片集成了 6 軸數(shù)據(jù)測量功能，分別為 X、 Y、 Z 軸角加速度和角速度。同時，通過配置功能寄存器，還可以得到芯片內(nèi)部自行融合的三軸角度值，除此之外，MPU6050 還集成了基于地球磁場感應(yīng)的三軸數(shù)據(jù)功能，加上該傳感質(zhì) 量輕，輸出數(shù)據(jù)平滑，是航模制作中常用的傾角傳感器，其原理圖如圖 所示。 ?圖 LP2985 低壓差電源穩(wěn)壓原理圖 圖 MPU6050 電路原理圖 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計） 12 空心杯電機驅(qū)動模塊 820 空心杯電機， 5V 電壓轉(zhuǎn)速達到 5W轉(zhuǎn) /秒，電流 。四旋翼飛行器電機是單方向旋轉(zhuǎn)，故只需設(shè)計半橋驅(qū)動即可，本設(shè)計采用 AO3402 N 溝道 MOS 管設(shè)計半橋驅(qū)動，如圖 13 所示，圖中包含兩路驅(qū)動，本設(shè)計需要四路驅(qū)動， IN4148 的作用是續(xù)流二極管并加上電容改善功率因數(shù)及濾波。詳細設(shè)計見原理圖 。 NRF24L01 無線模塊 NRF24L01 無線模塊，通信頻率在 頻段，市面上賣該模塊的商家很多，價格不貴，且專業(yè)化生產(chǎn)比自行設(shè)計的要穩(wěn)定，故本設(shè)計采用的是模塊化的 NRF24L01 無線模塊，采用 SPI 通信協(xié)議實現(xiàn)與控制芯片的信息交換。其原理圖如圖 所示。 圖 空心杯電機驅(qū)動 圖 NRF24L01 無線通信模塊原理圖 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計） 13 驅(qū)動程序功能及設(shè)計 硬件設(shè)備需要軟件驅(qū)動才能擁有“靈魂”，本部分將附上各個模塊的初始化函數(shù)庫，因為論文篇幅有限， STM32 的函數(shù)庫，讀者可以在工程中找到，筆者只給出調(diào)用的函數(shù)名。 最小系統(tǒng)板初始化 最小系統(tǒng)板配置包括庫 函數(shù)引導(dǎo)，鎖相環(huán)時鐘配置， GPIO 配置等，詳細的參數(shù)配置詳見程序注釋。 RCC 配置如圖 所示。 MPU6050 初始化 MPU6050 采用 IIC 通信協(xié)議通信，其配置流程如圖 所示。 三部分的程序比較多，詳細配置可查閱附錄代碼。 NRF24L01 初始化 NRF24L01 模塊采用的是 SPI 通信協(xié)議， SPI 和 IIC 都是基于串行數(shù)據(jù)總線通信的協(xié)議，配置起來有許多相似的地方。配置函數(shù)如圖 所示。 NRF24L01 實現(xiàn)遙控按鍵值與微控制器的 指令交換，所有的控制命令和控制參數(shù)都可以通過 NRF24L01 來傳遞。選擇 NRF是因為該模塊通信距離遠，通信速率快且頻段在 。在市面上已經(jīng)相當成熟。價格也圖 系統(tǒng)鎖相環(huán)時鐘配置驅(qū)動程序 I I C 配 置 寫 控 制 字 讀 取 數(shù) 據(jù)圖 MPU6050 配置流程 圖 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計） 14 不高。 空心杯電機驅(qū)動初始化 空心杯電機的轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié) PWM 的占空比來實現(xiàn)，設(shè)定的頻率為 10K， 100%占空比輸出值為 2020，采用定時器 2 作為 PWM 時鐘，四旋翼飛行器一共用到 4 路 PWM 分別驅(qū)動 4 個空心杯電機。選擇 PWM 頻率根據(jù)電機的特性來覺得， 10K 是一個理想的頻率值，在此頻率下，電機線性度良好，振動及噪聲也 相對要小很多。詳細的 PWM 配置見圖 。 四旋翼飛行器最終的 PCB 圖如圖 所示，實拍圖如圖 所示。 圖 NRF24L01 SPI 通信配置 圖 空心杯電機 PWM 配置子程序 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計） 15 圖 微型四旋翼飛行器 PCB 2D 圖及 3D 效果圖 圖 想飛的感覺不是夢，期待凌空的那一瞬間 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計） 16 5 四旋翼飛行器控制算法 實現(xiàn) 控制算法單獨設(shè)成一章，足見控制算法的重要性，控制算法是一個機器的靈魂，本章將探討四旋翼飛行器的控制算法。 角度 及 角 速度數(shù)據(jù)處理算法 MPU6050 通過 IIC 傳輸回來的數(shù)據(jù)需要由字符型轉(zhuǎn)換位 short 型，應(yīng)用 STM32F103微控制器的一個好處 是從 short 型到 float 型無需強制裝換，芯片內(nèi)部自行轉(zhuǎn)換。認識到采集回來的數(shù)據(jù)類型是字符型，在數(shù)據(jù)處理時能少走許多彎路，詳細問題解決筆者將在調(diào)試篇講到。 互補濾波器可行性分析 IIC 采集回來的傾角數(shù)據(jù)是有噪聲的，如圖 所示。在應(yīng)用之前需要進行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波器有很多種，因為熟悉互補濾波器，筆者在本設(shè)計中采用了互補濾波器來進行數(shù)字濾波。互補濾波的原理框圖如圖 所示。 圖 帶噪聲的 MPU6050 原始傾角數(shù)據(jù) 陀 螺 儀 ω積 分比 例+++++加 速 度 器角 度角 速 度圖 互補濾波器原理框圖 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計） 17 有互補濾波器的原理圖，可以得出如（ 2）式所示的互補濾波器的數(shù)學模型， 將互補濾波器拆分成兩部分，加號左邊構(gòu)成高通濾波器，右邊構(gòu)成低通濾波器。可以從陀螺儀和加速度計的物理特性來理解。 陀螺儀反映的是角速度，高頻運動它的反應(yīng)更靈敏而低頻情況下，陀螺儀幾乎沒有值輸出，這樣的特性確定陀螺儀可以用作高通濾波器。 同理，加速度計在低頻運動時輸出最靈敏而到高頻時輸出靈敏度降低，具有低通濾波器的特性，故可以將加速度計視為低通濾波器。 由此將兩者特性結(jié)合起來應(yīng)用，可以滿足濾除四旋翼飛行器傾角信號噪聲的缺點，還原飛行器真實的角度。由此論證互補濾波器在理論上是可行的。 互補濾波器 算法軟件實現(xiàn) 由互補濾波器原理框圖，可以得出得到如圖 所示的算法。在程序中已經(jīng)做了詳細的注釋，此處不再重復(fù)。參數(shù)整定將在調(diào)試部分講解。 姿態(tài)控制算法 四旋翼飛行器要穩(wěn)定懸空飛行，需要穩(wěn)定的控制算法。筆者在本設(shè)計中采用經(jīng)典的 PID控制算法來完成飛行器的姿態(tài)控制。 PID 控制算法可行性分析 PID 控制算法是比例、積分、微分、的第一個字母的大寫構(gòu)成的算法，分為位置式 PID和增量式 PID。在自動控制理論課中證明過 PID 控制的諸多優(yōu)點，筆者選擇 PID 除了能從書本上的證明論證可行性 之外，還從飛行器自身的特性來考慮。由于論文篇幅有限，此時不再引申課本上論述 PID 可行性的例子而是通過筆者自身的理解來論證可行性。 首先，四旋翼飛行器通過互補濾波得到一個較真實的角度值，同時，還有在每個方向上都具有一個角速度值，從實驗的波形可以發(fā)現(xiàn)，陀螺儀輸出的角速度是超前于角加速度的；其次，聯(lián)系 PID 中的 D，微分也具有一個超前預(yù)測變化趨勢的作用，由此筆者想到了應(yīng)用陀螺儀的值乘以一個系數(shù) Kd 得到 PID 中的 D。 然后，角度值與機體的角度看似呈線性變化的，聯(lián)系 PID 中的比例分量，兩者用著共* ( a ng l e gy r o* dt) ( 1 ) * a c can gle K p K p? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（ 2 ）圖 互補濾波器算法軟件實現(xiàn) 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計） 18 同的物理意義，由此可以將 角度值乘以一個 Kp 得到比例分量。 最后是積分分量，是否加積分量需要看前面的 PD 控制是否能滿足四旋翼飛行器的自平衡，如果 PD 調(diào)節(jié)達到上限，系統(tǒng)還有靜態(tài)偏差時，則加入積分加以修正。 在數(shù)學建模中常用類比的思想，總結(jié)出模型共同的物理特性，用已知的數(shù)學模型來替代未知的模型，再結(jié)合實際調(diào)試，總有得到真理的時候。最后的結(jié)論是： PID 可以滿足四旋翼飛行器的平衡控制。 PID 控制算法軟件實現(xiàn) 如（ 3）式所示， PID 控制器的微分方程，為了方便編程，需要將微分方程轉(zhuǎn)化成如（ 4）式所示的位置式 PID 或（ 5）式所示的增 量式 PID。本系統(tǒng)應(yīng)用的是 PID 模型是根據(jù)硬件特性類比 PID 算法得出的控制算法，在編程上有一定的共同之處。 目前程序中只用到了 PID，其框圖如圖 所示。 通過上述互補濾波得出的角度值與外部給定的角度值作差，得到偏差角度乘上比例系數(shù) nP 加上 nD 乘以陀螺儀測回的角速度值，得到空心杯電機的 PWM 值。其編程語句如圖 所示。 001( e ) y ( 3 )tPdi dey K e d t TT d t? ? ? ? ??????????????????1 00