西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 鄧二偉

多旋翼自主飛行器

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 鄧二偉

【摘要】本系統(tǒng)提出了以R5F100LEA作為主控板的四旋翼飛行器。選用六軸運(yùn)動(dòng)組件MPU6050、電子羅盤(pán)HMC5883L 及氣壓計(jì)MS5611 等傳感器對(duì)飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，結(jié)合卡爾曼濾波對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。采用PID 來(lái)實(shí)現(xiàn)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。飛行器可實(shí)現(xiàn)航向、懸停等多種功能的控制，飛到指定位置并完成航拍。

【關(guān)鍵詞】多旋翼飛行器；PID；卡爾曼濾波

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由核心控制模塊、傳感器單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源模塊組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示 ，通過(guò)下圖可以看到：由核心處理器檢測(cè)傳感器單元的狀態(tài)，從而得到飛機(jī)的四軸的加速度和角速度，從而結(jié)算出四軸的姿態(tài)角度（包括俯仰角，橫滾角和偏航角）。通過(guò)stm32模擬遙控器的變量（即油門(mén)，偏航，左右，前后）并通過(guò)串口發(fā)送個(gè)瑞薩套件，最后通過(guò)PID控制算法得到所需加到四個(gè)電機(jī)的PWM的值，從而讓四軸在空中完成一系列的任務(wù)。本系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)是需要電源供電來(lái)提供能量的，它就是我們控制系統(tǒng)的“心臟”，而核心控制器就是“大腦”，從而電機(jī)也就是我們的“四肢”，傳感器單元也就是我們的“感官。

1.2 控制系統(tǒng)的論證與選擇

方案一：選用飛控（STM32）來(lái)采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)并控制電機(jī)，運(yùn)用瑞薩開(kāi)發(fā)套件中的RL78/G13板來(lái)模擬遙控器輸入信號(hào)，兩芯片之間通過(guò)串口通信。

方案二：本系統(tǒng)選用瑞薩開(kāi)發(fā)套件中的RL78/G13板來(lái)采集和處理數(shù)據(jù)并控制電機(jī)，STM32來(lái)模擬遙控器，兩芯片之間通過(guò)串口通信。

經(jīng)分析，方案一使用了飛控，但是對(duì)于內(nèi)部的編程的理解不夠深入，在不使用遙控器的情況下，使用瑞薩模擬遙控器和飛控進(jìn)行通信變得困難。方案二所有程序都需要移植，對(duì)于飛行器飛行調(diào)試時(shí)更加得心應(yīng)手，節(jié)省了大量的調(diào)試時(shí)間。因此設(shè)計(jì)選用了第二套方案。

2 系統(tǒng)理論分析

2.1 硬件電路的分析

核心控制器的功能包括傳感器數(shù)據(jù)的采集、對(duì)數(shù)據(jù)的融合、濾波處理、姿態(tài)解算、PID算法的實(shí)現(xiàn)、PWM輸出等。由于四旋翼要求姿態(tài)解算和更新必須足夠快速，以跟上空中四旋翼姿態(tài)的迅速變化，而且程序中也有大量的計(jì)算，所以對(duì)單片機(jī)的處理性能要求較高。傳統(tǒng)的8位單片機(jī)已經(jīng)不能滿(mǎn)足控制需求。經(jīng)過(guò)綜合考慮，選用了瑞薩開(kāi)發(fā)套件中的開(kāi)發(fā)板和微控制器STM32單片機(jī)，該單片機(jī)屬于STM32家族，基于Coterx-M3內(nèi)核，使用8M晶振，經(jīng)過(guò)內(nèi)部倍頻電路，主頻最高可以達(dá)到72MHz，擁有64KB的Flash存儲(chǔ)容量，4個(gè)通用定時(shí)器和2個(gè)高級(jí)定時(shí)器，可以進(jìn)行PWM輸入捕獲和PWM輸出，2 個(gè)I2C接口和3個(gè)SPI接口，用于接收瑞薩傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和控制電機(jī)的輸出，工作電壓為3.3V。

2.2 電源模塊的分析

在本次設(shè)計(jì)中，對(duì)供電系統(tǒng)的要求特別高，如果供電不嚴(yán)謹(jǐn)，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定，特別是對(duì)于一些傳感器模塊。本設(shè)計(jì)采用2200毫安的飛行器專(zhuān)用電池給各個(gè)模塊供電，使用LM2596可調(diào)降壓模塊帶數(shù)顯電壓表顯示穩(wěn)壓電源模塊進(jìn)行穩(wěn)壓，并制作相應(yīng)的電路，產(chǎn)生3.3V電源對(duì)傳感器單元、核心控制模塊供電，電調(diào)直接使用飛機(jī)電源。

2.3 傳感器模塊的分析

本設(shè)計(jì)采用的是MPU6050，MS5611，HMC5833這三塊傳感器。MPU6050是6軸傳感器包括三軸的加速度，三軸的陀螺儀。HMC5883是磁阻傳感器（也就是磁羅盤(pán)），它可以檢測(cè)到3軸的磁場(chǎng)的大小，從而推出磁角。MS5611是氣壓計(jì)，它能夠測(cè)得四軸的所處位置的大氣壓，從而得到四軸的角度。三軸陀螺儀測(cè)量橫滾、傾斜、航偏三個(gè)軸的姿態(tài)角速度，經(jīng)過(guò)積分，可以得到姿態(tài)角度，同時(shí)三個(gè)姿態(tài)角速度也用于串級(jí)PID控制器中的內(nèi)環(huán)速度反饋；三軸加速度計(jì)輸出重力加速度和四旋翼本身加速度沿著橫滾、傾斜和航偏三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的分量，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到橫滾角、傾斜角和航偏角三個(gè)姿態(tài)；三軸磁力計(jì)測(cè)量地磁場(chǎng)在橫滾、傾斜和航偏三個(gè)軸的分量，經(jīng)過(guò)計(jì)算也可以得到三個(gè)姿態(tài)角。因?yàn)镸EMS傳感器的精度比較低，所以程序中要對(duì)三個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，才能得到準(zhǔn)確的姿態(tài)角。氣壓計(jì)用于測(cè)量四旋翼的高度。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

由于無(wú)刷電機(jī)是功率器件，需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，一般要求驅(qū)動(dòng)電流為安培級(jí)，有時(shí)達(dá)到幾十安培，而STM32驅(qū)動(dòng)能力不足以直接驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)，本設(shè)計(jì)中選用好盈樂(lè)天 XRotor 20A。該電調(diào)是多旋翼專(zhuān)用電調(diào)，油門(mén)響應(yīng)速度極快，而且對(duì)電機(jī)有優(yōu)化的固件，電機(jī)兼容性很強(qiáng)，自適應(yīng)能力強(qiáng)，使用起來(lái)很簡(jiǎn)單。油門(mén)信號(hào)線(xiàn)為雙絞線(xiàn)，能夠降低信號(hào)串?dāng)_，而且最高可支持刷新高達(dá)600Hz的油門(mén)信號(hào)線(xiàn)，更關(guān)鍵的是兼容各種飛控，因此本設(shè)計(jì)采用該電調(diào)。

3 模型搭建和預(yù)期目標(biāo)

3.1 模型的搭建

本次設(shè)計(jì)，我們利用瑞薩開(kāi)發(fā)板來(lái)模擬控制器，利用PWM模型來(lái)模擬各種控制信號(hào)，因此將

3.2 飛行目標(biāo)

本次設(shè)計(jì)對(duì)飛行器的姿態(tài)、航向、懸停等多種基本功能進(jìn)行基本控制，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行高度大于30cm，小于120cm的平穩(wěn)飛行，并且實(shí)現(xiàn)飛行器的定高。飛行器可以實(shí)現(xiàn)固定路線(xiàn)飛行，成功的飛到某一指定位置并完成航拍。

4 參數(shù)調(diào)試方案

本次設(shè)計(jì)我們采用X型飛行方案，因此我們需要調(diào)試兩個(gè)方面的穩(wěn)定性，一是飛行方向穩(wěn)定性，二是懸浮平衡穩(wěn)定性。首先，對(duì)平衡穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)試。首先將飛行器的其中一軸捆綁在橫木上，要求橫木是圓形的。然后將其搭在木架上，先對(duì)一側(cè)進(jìn)行平衡穩(wěn)定的調(diào)試。電機(jī)啟動(dòng)后，撥動(dòng)一側(cè)，觀(guān)察兩點(diǎn)，回復(fù)速度和穩(wěn)態(tài)，根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)整PID參數(shù)的值。然后同上步驟調(diào)整另一側(cè)的平穩(wěn)性。其次是對(duì)飛行方向的調(diào)試。

5 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

5.1 測(cè)試方案

（1）硬件測(cè)試；（2）軟件仿真測(cè)試；（3）硬件軟件聯(lián)調(diào)。

5.2 硬件測(cè)試與儀器

測(cè)試條件：1）檢查多次，保證仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同。2）使用萬(wàn)用表，看各處連線(xiàn)是否正常，是否出現(xiàn)短路與虛焊，確保系統(tǒng)穩(wěn)定。3）運(yùn)用keil和cubesuit+對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。4）將數(shù)據(jù)燒入芯片中觀(guān)察相應(yīng)現(xiàn)象后使用上位機(jī)和數(shù)字示波器觀(guān)察相應(yīng)數(shù)據(jù)和相應(yīng)輸出波形。5）再次結(jié)合硬件系統(tǒng)的現(xiàn)象，使用keil5 和cubesuit+對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，測(cè)試儀器為上位機(jī)、數(shù)字示波器和數(shù)字萬(wàn)用表。

6 總結(jié)

本設(shè)計(jì)中，選用瑞薩開(kāi)發(fā)套件中的RL78/G13板作為主控芯片，通過(guò)MPU6050、HMC5883、LMS5611 等傳感器采集得到數(shù)據(jù)，采用卡爾曼濾波算法求得有效、可靠的角速度數(shù)據(jù)，結(jié)合雙閉環(huán)PID 算法，調(diào)控四旋翼飛行器兩組四個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，最終研制出了四旋翼飛行器，并進(jìn)行了多次試飛。試飛實(shí)驗(yàn)時(shí)其參數(shù)設(shè)定為： 姿態(tài)解算的頻率為400 Hz卡爾曼濾波頻率為800 Hz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：完成了飛行器的姿態(tài)、航向、懸停等多種基本功能的控制，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)也為后續(xù)研究提供了一個(gè)平臺(tái)，也為在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)建模、姿態(tài)解算、互補(bǔ)濾波等方面進(jìn)行下一步的研究指明了方向。

參考文獻(xiàn)

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