袁安富，徐金琦，王 偉，馬 浩

(南京信息工程大學 信息與控制學院，江蘇 南京 210044)

隨著科學技術(shù)的進步和時代發(fā)展的需求，無人機無論在軍事還是民用領域都具有廣泛的應用前景。近年來，對無人機領域的研究已得到國內(nèi)外各大研究機構(gòu)的重視，特別是微小型多旋翼無人機的研究得到迅猛的發(fā)展。微小型多旋翼無人機可廣泛應用于軍事偵察、高空拍攝、交通監(jiān)控及自然災害勘察等領域。因此，實現(xiàn)微小型多旋翼無人機的自主飛行具有重要的現(xiàn)實意義[1]。然而，實現(xiàn)無人機的自主飛行不可避免地要涉及到飛行器姿態(tài)、速度、位置這幾個大方面的控制運算，因此對于控制器的運算能力有很高的要求。

現(xiàn)有的飛行控制系統(tǒng)一般采用ARM7、DSP等高速處理器作為控制芯片。對于這類單芯片飛控系統(tǒng)，一個控制周期內(nèi)要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運算及指令輸出，同時還需將數(shù)據(jù)輸出到監(jiān)控系統(tǒng)，過重的負荷影響了系統(tǒng)的可靠性[2]。針對這一問題，本文設計了一種雙芯片飛行控制系統(tǒng)，采用2個STM32F107VCT6處理器同時分工協(xié)作的機制,完成對飛行控制的任務要求。該系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)可靠，運算處理能力強，穩(wěn)定性高。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)功能劃分及硬件布局

多旋翼無人機自主飛行控制系統(tǒng)較為復雜，一般需要設計3類控制器：位置控制器、速度控制器及姿態(tài)控制器。同時還有姿態(tài)角推算，導航數(shù)據(jù)融合等算法[3]。

為了滿足以上控制和算法要求，機載部分的硬件布局就顯得尤為重要。若要得到很好的實時控制效果，控制頻率是一個重要的考慮因素。因此，為了完成高頻的控制運算，本文設計了一種雙芯片控制系統(tǒng)，2個處理器同時處理數(shù)據(jù),協(xié)調(diào)工作,達到自主飛行的目的[4]。協(xié)同任務的分配如表1所示。 其雙芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控制器部分有IMU模塊、GPS模塊、遙控器無線接收機及XBEE無線傳輸模塊；從控制器有陀螺儀傳感器、三軸加速度傳感器、地磁傳感器、氣壓傳感器、PWM輸出模塊及SD卡數(shù)據(jù)存儲器[5]。

表1 飛行控制系統(tǒng)主要任務分配

圖1 雙芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)硬件選型

(1)主從控制器：采用 ST公司 STM32F107VCT6型號的32位微處理器，時鐘頻率達到72 MHz，其豐富硬件接口資源及功能強大的DMA控制方式，充分保證無人機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實時性。主從CPU之間采用高達18 MHz的SPI接口進行雙機通信[6]。針對實際應用，對通信接口增加硬件握手，主機每次在傳輸數(shù)據(jù)前詢問從機狀態(tài)，如準備好，則開始發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣可以避免主機發(fā)送數(shù)據(jù)時,而從機正處于中斷接收配置代碼區(qū)，無法接收數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)丟失，無法正確接收數(shù)據(jù)[7]。

(2)模擬量傳感器：加速度傳感器(ADXL335)、陀螺儀傳感器(ADXRS610)。采用模擬量傳感器的優(yōu)勢在于可以高頻率且精確地進行數(shù)據(jù)采集，滿足400 Hz姿態(tài)控制頻率的要求。

(3)數(shù)字量傳感器:地磁計(MAG3110)、氣壓計(BMP0805)、GPS模塊。數(shù)字量傳感器使用相對簡單，且在控制位置和速度時的頻率相對較低，數(shù)字量傳感器可以滿足要求。

(4)無線傳輸模塊：遙控器、遙控器接收機、XBEE無線傳輸模塊。

(5)擴展模塊:IMU模塊。可以通過搭載高性能的IMU模塊來驗證控制板上各種傳感器的性能及估算的姿態(tài)角的準確性[8]。

2 嵌入式系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件的設計是基于IAR軟件平臺下開發(fā)，采用匯編語言和C語言混合編程實現(xiàn)。主要分為主控制器和從控制器兩部分的軟件設計。

2.1 主控制器軟件設計

主控制器軟件流程圖如圖2所示。遙控器的數(shù)據(jù)接收、上位機的數(shù)據(jù)接收、GPS數(shù)據(jù)讀取、高度計和地磁計的數(shù)據(jù)讀取、主循環(huán)控制頻率等利用中斷程序完成。為了減輕CPU負載,對地面站的數(shù)據(jù)輸出采用DMA功能，無需CPU干預。

圖2 主控制器軟件流程圖

2.2 從控制器軟件設計

從控制器需要完成400 Hz的控制運算，同樣需要分別配置STM32的USART接口、SPI接口及定時器中斷。采集頻率設定為2 000 Hz，并對采集到的數(shù)據(jù)進行巴特沃斯數(shù)字低通濾波。巴特沃斯數(shù)字濾波器相比其他數(shù)字濾波器而言，通帶內(nèi)具有最大平坦幅度、阻帶頻率響應逐漸下降為零的特點。濾波器的性能指標如下：通帶截止頻率 20 Hz,阻帶截止頻率100 Hz,阻帶最小衰減20 dB，通帶最大衰減3 dB[9]。對于SD卡的數(shù)據(jù)寫入同樣采用SPI的DMA功能,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速寫入，節(jié)約CPU時間。

從控制軟件流程圖如圖3所示，接收與發(fā)送主機數(shù)據(jù)、主循環(huán)頻率都利用中斷程序完成[5]。同時為了節(jié)約CPU對外圍設備的讀寫的時間，采用ADC的DMA功能實現(xiàn)對模擬量傳感器的數(shù)據(jù)讀取，并將數(shù)據(jù)采集和存儲交由DMA控制器。

3 實驗結(jié)果

為驗證系統(tǒng)方案的可行性，將含有速度控制和姿態(tài)控制的飛行控制系統(tǒng)搭載四旋翼飛行器進行室外飛行實驗[10]，如圖4所示。

圖5和圖6的實驗結(jié)果表明，控制器能夠很好地跟蹤速度目標值，實現(xiàn)飛行器按預定速度飛行。由此可知，整個系統(tǒng)具有良好的目標追蹤性及穩(wěn)定性。

本文提出了一種新型的采用雙芯片結(jié)構(gòu)的多旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)的設計方案。從硬件設計和軟件設計兩方面詳細介紹了設計與實現(xiàn)的過程，并在主機、從機上設計不同的控制器。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，可以完成各種方式的數(shù)據(jù)傳輸，處理速度快，能夠有效地完成自主飛行所需各種運算要求，為實現(xiàn)該類無人機的自主飛行奠定了良好的基礎。

圖3 從控制器軟件流程圖

圖4 多旋翼無人飛行器

圖5 姿態(tài)控制實驗結(jié)果

圖6 速度控制實驗結(jié)果

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