湯明文

(國網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司,福州350000)

ARM和NuttX的多旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)設(shè)計*

湯明文

(國網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司,福州350000)

針對多旋翼飛行器在特種任務(wù)需求復(fù)雜作業(yè)中的穩(wěn)定、安全和可靠性問題,提出一種基于ARM和Nutt X的無人飛行器飛行控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于Cotex-M4內(nèi)核的低功耗和高性能TM4C123GH6PZ芯片作為主控單元,并結(jié)合雙冗余慣性測量傳感單元完成高可靠硬件電路設(shè)計;并以四軸八旋翼無人機為載體,完成了系統(tǒng)功能和性能的飛行試驗驗證。試驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)不僅能滿足飛行控制的穩(wěn)定性和可靠性需求,而且可擴展性好,軟件算法的運行資源充足。

Cotex-M4;TM4C123GH6PZ;Nutt X;多旋翼飛行器;多任務(wù)

引 言

近年來,隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展,多旋翼飛行器以其機械結(jié)構(gòu)簡單、機動性好、懸停凝視、定點懸拍、垂直起降等優(yōu)點,已成為許多國家或科研機構(gòu)的研究熱點,在軍事和民用多個領(lǐng)域也都有廣闊的應(yīng)用前景。隨著多旋翼飛行器任務(wù)功能作業(yè)需求的日趨復(fù)雜性,無人機對高可靠、安全和高穩(wěn)定飛行控制系統(tǒng)的需求尤為迫切。一旦飛控系統(tǒng)出現(xiàn)問題,無人機就會失去控制進(jìn)而墜落。因此,擁有一個多任務(wù)處理能力強和安全穩(wěn)定的飛控系統(tǒng)顯得至關(guān)重要。

針對多旋翼飛行器在復(fù)雜作業(yè)中的穩(wěn)定、安全和可靠性問題,本文提出一種基于ARM和Nutt X的無人飛行器飛行控制系統(tǒng),充分發(fā)揮了ARM內(nèi)核微處理器的高性能、低功耗、外設(shè)接口豐富的優(yōu)點和嵌入式實時操作系統(tǒng)Nutt X的多復(fù)雜任務(wù)程序控制優(yōu)點。其中,ARM內(nèi)核微處理器選用TI公司的TM4C123GH6PZ芯片,作為飛控系統(tǒng)的主控單元,該芯片是基于Cotex-M4內(nèi)核實現(xiàn),最高具備80 MHz主頻,非常適用于本文中多旋翼無人機中高性能、低功耗嵌入式控制領(lǐng)域,它同時具備多個高精度定時器和多種通信接口,可以輸出多達(dá)16路互補且?guī)в兴绤^(qū)時間控制的PWM波形,完全兼容旋翼數(shù)量不同的飛行器;Nutt X是一個強調(diào)標(biāo)準(zhǔn)兼容和小型封裝的實時操作系統(tǒng),具有從8位到32位微控制器環(huán)境的高度可擴展性,主要遵循Posix和ANSI標(biāo)準(zhǔn),采用模塊化設(shè)計,完全可搶占式內(nèi)核,并且支持類Unix的ScIipt控制和類Bash的NuttShell控制臺,非常適用于本文中的飛控系統(tǒng)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時多旋翼無人機多項飛行功能任務(wù)的控制實現(xiàn)。

1 飛控系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)設(shè)計

多旋翼飛行器飛控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括電源模塊、慣性測量傳感器模塊、無線模塊、SD卡存儲模塊及USB轉(zhuǎn)串口電路等部分,系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中,電源模塊能夠提供全冗余5 V輸入,TM4C123GH6PZ通過SPI總線及I2C總線采集得到慣性測量傳感器信號,并實時解算出當(dāng)前飛行位置和姿態(tài),然后根據(jù)遙控器發(fā)送的目標(biāo)姿態(tài)及當(dāng)前的姿態(tài)差計算出PID電機增量,最后將PWM信號提供給電子調(diào)速器來實現(xiàn)飛行器的穩(wěn)定飛行。此外,系統(tǒng)能夠通過USB或者無線數(shù)傳模塊與地面站進(jìn)行通信,同時,飛行中的所有姿態(tài)、位置數(shù)據(jù)和遙控操作數(shù)據(jù)均可存于SD卡中,方便對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

圖1 飛控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖

1.2 電源模塊設(shè)計

電源模塊采用芯片LTC4417進(jìn)行電源管理,電路圖如圖2所示。LTC4417可根據(jù)優(yōu)先級將3個有效電源之一連接至一個公共輸出端,從3個輸入中選擇優(yōu)先級最高的電源。優(yōu)先級由引腳分配來確定,V1被分配了最高的優(yōu)先級,而V3則為最低的優(yōu)先級。當(dāng)某個電源的電壓連續(xù)處于其過壓(OV)或欠壓(UV)窗口之內(nèi)的時間至少為256 ms時,此電源就被定義為“有效”。假如優(yōu)先級最高的有效輸入脫離了OV/UV窗口,則立即將該通道斷接,并把優(yōu)先級次高的有效輸入連接至公共輸出?；谌哂喙╇娫O(shè)計思想,當(dāng)主電源發(fā)生故障時,系統(tǒng)可以在第一時間內(nèi)不停機切換至備份電源,由此可有效提高飛行的安全性,在工程實踐中具有重要意義。

圖2 電源模塊電路

1.3 傳感器模塊

為進(jìn)一步提高飛控系統(tǒng)的安全性和可靠性,本文采用了雙慣性測量傳感器冗余設(shè)計。主陀螺儀采用ST公司的3軸16位精度傳感器L3GD20 H;3軸加速度計和3軸電子羅盤采用LGA-16封裝的LSM303D;氣壓計采用瑞士MEAS公司的MS5611芯片,包含一個高線性度壓力傳感器和一個超低功耗的24位∑型A/D轉(zhuǎn)換器,分辨率可達(dá)到10 cm。此外,還采用了Invensense公司的MPU 6050三軸陀螺儀/加速度計作為飛控系統(tǒng)的慣性姿態(tài)測量備份單元,保證在主慣性測量傳感器發(fā)生故障時,飛控系統(tǒng)仍能正常工作。上述所有傳感器都具備高速SPI接口,與主處理器可并聯(lián)在同一總線上,簡化了PCB設(shè)計。此外,還采用了I2C總線接口的外置羅盤HMC5883,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。

1.4 無線模塊

無線模塊包括遙控接收模塊和與地面站通信數(shù)傳模塊兩個部分。

為了節(jié)省I/O資源,簡化布線操作,遙控接收模塊采用脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation,PPM)形式輸出,只需一根信號線即可傳輸多個通道的PWM信號。

無線數(shù)傳模塊基于新型無線射頻模塊XTend進(jìn)行設(shè)計。該模塊是DIGI公司研發(fā)的基于ZigBee技術(shù)的帶獨立RF的調(diào)制解調(diào)器,能提供長距離(高達(dá)40英里)低功耗的無線解決方案,工作在5 V電壓下,電流消耗只有780 m A,輸出功率可達(dá)1 W(30 dBm)。該模塊可輸出符合FCC標(biāo)準(zhǔn)的4 W功率,同時提供256位AES數(shù)據(jù)加密功能,并在調(diào)制解調(diào)器中加入了抗干擾技術(shù),保證了高空飛行時數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 基于NuttX的飛控任務(wù)分配

基于Nutt X的程序架構(gòu)設(shè)計思想是將一個大的應(yīng)用程序分成多個相對獨立的任務(wù)來完成。本飛行控制系統(tǒng)的所有功能都通過任務(wù)進(jìn)程實現(xiàn),主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集、姿態(tài)解算、遙控器數(shù)據(jù)采集、姿態(tài)控制、數(shù)據(jù)通信及日記記錄等,以下將對各個任務(wù)進(jìn)程進(jìn)行介紹。

①傳感器數(shù)據(jù)采集進(jìn)程:在飛行過程中不斷地采集所有傳感器數(shù)據(jù),并對讀取的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;

②姿態(tài)解算進(jìn)程:根據(jù)采集得到的傳感器數(shù)據(jù),基于擴展卡爾曼濾波器解算出飛行器當(dāng)前的姿態(tài);

③遙控器數(shù)據(jù)采集進(jìn)程:采集并解算遙控器接收機輸出的PPM脈沖信號,從而得到對應(yīng)的姿態(tài)指令;

④姿態(tài)控制進(jìn)程:將得到的姿態(tài)指令與當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,基于前饋PID計算出當(dāng)前所需的PID控制量,并分配到各旋翼轉(zhuǎn)速,以達(dá)到姿態(tài)控制的目的;

⑤數(shù)據(jù)通信進(jìn)程:一方面,接收地面站發(fā)送的指令,主要包括起飛、降落、返航及姿態(tài)改變等;另一方面,將飛控系統(tǒng)的參數(shù)實時回傳給地面,主要包括當(dāng)前姿態(tài)、遙控輸入及電機輸出等數(shù)據(jù)

⑥日記記錄進(jìn)程:將飛行過程中的主要飛行參數(shù)數(shù)據(jù)存儲至SD卡中。

2.2 進(jìn)程間通信

進(jìn)程間通信是飛控系統(tǒng)軟件架構(gòu)的重要組成部分,本文采用了一種微對象請求代理機制(Micro Object Request Broker,μORB)來實現(xiàn),其肩負(fù)了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù),所有的傳感器數(shù)據(jù)、遙控器PPM信號均通過μORB傳輸至各個模塊進(jìn)行計算處理。μORB實際上是多個進(jìn)程打開同一個設(shè)備文件,進(jìn)程間通過此文件節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和共享。進(jìn)程通過命名的總線交換的消息稱之為主題,一個主題僅包含一種消息類型。每個進(jìn)程可以訂閱或者發(fā)布主題,其程序流程圖如圖3所示。

一個主題可以存在多個發(fā)布者,或者一個進(jìn)程可以訂閱多個主題,但是一條總線上始終只有一條消息,進(jìn)程并不用關(guān)注信息交換的對象。這種機制可高效簡潔地實現(xiàn)進(jìn)程間數(shù)據(jù)的共享,進(jìn)而提高程序開發(fā)效率。

基于上述的μORB機制,多旋翼飛行器飛控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,其中姿態(tài)解算進(jìn)程利用傳感器采集進(jìn)程得到的數(shù)據(jù)實時解算出飛行器當(dāng)前姿態(tài);姿態(tài)控制進(jìn)程訂閱遙控器及姿態(tài)數(shù)據(jù),計算出當(dāng)前所需的PID控制量,并推送至uORB;數(shù)據(jù)通信進(jìn)程將接收到的控制指令發(fā)布,同時訂閱系統(tǒng)各個參數(shù)數(shù)據(jù);最后,日記記錄進(jìn)程從uORB處得到系統(tǒng)數(shù)據(jù)后進(jìn)行存儲。

圖3 訂閱/發(fā)布主題程序流程圖

圖4 多旋翼飛行器飛控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

3 實驗結(jié)果和分析

為驗證設(shè)計的飛控系統(tǒng)的功能和性能,本文以軸距為750 mm的四軸八旋翼異形飛行器為測試平臺,對系統(tǒng)進(jìn)行了室外飛行實驗,實驗場景。

圖5為所得到橫滾、俯仰和偏航角的響應(yīng)曲線,從實驗結(jié)果可以看出,飛行姿態(tài)角始終能快速準(zhǔn)確地跟蹤指令值,保證飛行器的穩(wěn)定飛行,達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計的要求。此外,通過Nutt XShell可以得出TM4C的空閑運行資源達(dá)到了62.17%,能滿足后續(xù)更強大的各種運算及應(yīng)用開發(fā)需求。

圖5 飛控系統(tǒng)姿態(tài)采集的實驗結(jié)果曲線

結(jié) 語

本文在充分發(fā)揮ARM處理器的高性能、低功耗和接口豐富,以及Nutt X系統(tǒng)的可多進(jìn)程任務(wù)處理優(yōu)勢基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了一種可靠、穩(wěn)定和高效的多旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)設(shè)計,并在四軸八旋翼無人機平臺上完成了該系統(tǒng)功能性能的外場飛行試驗驗證。試驗結(jié)果表明,通過在TM4C123GH6PZ上嵌入Nutt X實時操作系統(tǒng),可實現(xiàn)多任務(wù)進(jìn)程間的信息共享和交互,高效地完成多旋翼飛行器的飛行控制;通過采用冗余的慣量測量傳感單元,實現(xiàn)較穩(wěn)定的動、靜態(tài)姿態(tài)角測量,并進(jìn)一步提高飛控系統(tǒng)的容錯設(shè)計和可靠性;該系統(tǒng)不但具備復(fù)雜任務(wù)作業(yè)能力,而且可擴展性好,非常有利于用戶的后續(xù)開發(fā),為多旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)設(shè)計提供了一種行之有效的解決方案。

[1]常國權(quán),戴國強.基于STM32的四軸飛行器飛控系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2015(2):29-32.

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湯明文,主要從事智能電網(wǎng)、無人機在電網(wǎng)應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域研究工作。

Flight Control System for Multi-rotor Aircraft Based on ARM and NuttX

Tang Mingwen
(State Grid Fujian Electric Power Company Fuzhou Power Supply Unit,Fuzhou 350000,China)

Aiming at the problems of the multi-rotor aircraft under complex task requirement such as the stability,safety and reliability, the flight control system of unmanned aircraft based on ARM and Nutt X is proposed.This system takes TM4C123GH6PZ as the control unit,and the reliable hardware circuit is designed using the redundancy IMU.Lastly,the function and performance are verified on the four-axis eight-rotor unmanned vehicle.The experiment results show that the proposed method can meet the stability and reliability requirements,and the soft resource is also rich enough to run,which has a high value in the engineering application.

Cortex-M4;TM4C123GH6PZ;Nutt X;multi-rotor aircraft;multitask

TM368.2

:A

楊迪娜

2016-05-30)

*國家級-新型大氣數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)的狀態(tài)自確認(rèn)方法研究(61401414)。