湯金萍，周 雷，金阿鎖

(南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

?

基于MSP430單片機(jī)的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計*

湯金萍，周 雷，金阿鎖

(南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

四旋翼飛行器是由4個帶槳葉電機(jī)驅(qū)動并形成十字交叉結(jié)構(gòu)的一種飛行器。本試驗是以MSP430F149單片機(jī)為主控芯片，搭建四旋翼飛行器控制系統(tǒng)。以MPU-6050傳感器獲取飛行器的姿態(tài)信息，經(jīng)過遞推濾波算法，得到可靠的姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過四元數(shù)融合算法，進(jìn)行姿態(tài)解算，獲得四旋翼飛行器的姿態(tài)角，然后借助PID控制算法，消除四旋翼飛行器在飛行過程中不可預(yù)測的誤差，最后，以PWM波的形式控制無刷直流電機(jī)，實現(xiàn)四旋翼飛行器的自平穩(wěn)控制。本試驗完成了四旋翼飛行器的自平穩(wěn)控制系統(tǒng)，能夠基本實現(xiàn)四旋翼飛行器的平穩(wěn)起飛與降落。

MSP430；MPU-6050；歐拉角；四旋翼飛行器；閉環(huán)控制

0 引言

四旋翼飛行器是多旋翼飛行器中最常見、最簡單的一種。2010年世界首款四旋翼飛行器AR.Drone問世，它由法國Parrot公司發(fā)布。它的定位是一款高科技玩具，性能非常優(yōu)秀，輕便，很安全，容易控制，而且還能實現(xiàn)自懸停，拍攝圖像，并通過WiFi傳輸?shù)绞謾C(jī)上顯示。

DJI是眾多四旋翼飛行器公司中值得一提的公司之一。在早些年，DJI主要工作放在直升機(jī)的控制上，在AR.Drone問世后，DJI看到了四旋翼飛行器的市場，開始研究四旋翼飛行器產(chǎn)品。2012年，DJI相繼推出了幾款飛行器產(chǎn)品。在當(dāng)時AR.Drone的引領(lǐng)下，全球刮起了一股四旋翼飛行器商業(yè)化的熱潮。

2013年1月，DJI推出Phantom，如圖1所示。四旋翼飛行器被開發(fā)用作一個新領(lǐng)域——航拍。“Phantom”的中文意思是精靈，與它的外形很相配。隨著Phantom的推出，四旋翼飛行器的市場也開始發(fā)生變化。Phantom很容易操作，沒有操控經(jīng)驗的新手也可很快學(xué)會操作。與AR.Drone相比，Phantom的尺寸更大一些，在戶外飛行時，抗風(fēng)干擾的能力更強，Phantom還有GPS導(dǎo)航功能，可以飛行的范圍很大。Phantom最大的特點，就是可搭載攝像機(jī)。Phantom可通過連接架掛載GoPro運動相機(jī)，拍攝極限運動。Phantom可以從不一樣的視角拍攝，而且，與傳統(tǒng)的飛機(jī)航拍不同，它小巧、靈活，可以讓拍攝者自由控制角度。Phantom+GoPro拍攝模式的出現(xiàn)，讓四旋翼飛行器更有生機(jī)。說多旋翼飛行器重新定義了航拍，一點都不為過。

從現(xiàn)在的四旋翼飛行器市場來看，一部分是以AR.Drone為代表的玩具市場，另一部分就是以DJI Phantom、DJI S1000為代表的航拍飛行器市場[1]。著名的快遞公司順豐就進(jìn)行了多旋翼飛行器送快遞的實驗。在一些人類活動困難的地點，如火山口、沼澤地等，將多旋翼飛行器用于地質(zhì)勘測的情況也越來越多。軍事方面，多旋翼飛行器可以用于無人機(jī)偵察等。另外，多旋翼飛行器還可以用作森林防火監(jiān)控、高速公路車輛監(jiān)控、公共領(lǐng)域現(xiàn)場監(jiān)控等。

1 總體方案

1.1 四旋翼飛行器基本結(jié)構(gòu)

四旋翼飛行器是由4個帶槳葉電機(jī)驅(qū)動并形成十字交叉結(jié)構(gòu)的一種飛行器，本試驗的四旋翼飛行器采用十字飛行方式，電機(jī)1為正前方，由此確定前后、左右。4個電機(jī)分別安裝在十字結(jié)構(gòu)的4個頂點，由此形成的四個旋翼結(jié)構(gòu)相同，兩兩對稱[2]。飛行控制器和電池被安裝在中間交叉點位置。四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式

1.2 運動姿態(tài)分析

四旋翼飛行器由四個旋翼共同提供升力，通過改變4個電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)4個旋翼的升力，由此控制飛行器的姿態(tài)和飛行方向。四旋翼飛行器一共有6個自由度，4個力輸入，6個狀態(tài)輸出，因此它是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)[3]。

四旋翼飛行器常見的飛行方式有2種[4]:X飛行方式與十字飛行方式，其中兩個電機(jī)正轉(zhuǎn)，兩個電機(jī)反轉(zhuǎn)，以抵消自旋轉(zhuǎn)力。本試驗采用的是十字飛行方式，電機(jī)2、4順時針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)1、3逆時針旋轉(zhuǎn)。

規(guī)定電機(jī)1的方向即為正前方向，也是x軸方向；電機(jī)2為左方向，即y軸方向；電機(jī)3為右方向；電機(jī)4為后方向；z軸方向與x、y垂直向上。四旋翼飛行器的運動姿態(tài)可分為6種：垂直運動、俯仰運動、滾轉(zhuǎn)運動、偏航運動、前后運動、傾向運動，如圖3所示。

圖3 四旋翼飛行器運動姿態(tài)

圖4 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件框架

四旋翼飛行器硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，以MSP430F149單片機(jī)為主控芯片，作為飛控板，采用MPU-6050獲取飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)，并通過PWM波控制電子調(diào)速器，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。用Nokia5110顯示屏顯示飛行器內(nèi)部數(shù)據(jù)，便于調(diào)試。

2.2 電源

對于四旋翼飛行器，電源的質(zhì)量會很大程度地影響它的飛行。本試驗所使用的是新西達(dá)2212 KV2200電機(jī)，搭配5043號槳葉，當(dāng)單電機(jī)滿載運行時，實測電流可達(dá)到21.1 A。所以當(dāng)飛行器滿載運行時，總電流將達(dá)到80 A以上。同時，考慮到四旋翼飛行器的搭載能力，電源的質(zhì)量非常重要。本試驗選用獅子 3S11.1V2 200 mAh 電池搭配電子調(diào)速器作為電源。

2.3 角度傳感器模塊

圖5 MPU-6050檢測軸與方向

MPU-6050是全球首例整合性6軸運動處理傳感器，由InvenSense公司推出。MPU-6050整合了3軸加速度傳感器和3軸角速度傳感器，其檢測軸與方向如圖5所示。

3軸加速度傳感器的精度可編程選擇，范圍為：±2 g、±4 g、±8 g和±16 g[5]。

3軸角速度傳感器精度范圍：±250、±500、±1 000°/s與±2 000°/s。

2.4 電機(jī)與電子調(diào)速模塊

2.4.1 選用電子調(diào)速器控制無刷直流電機(jī)

選用電機(jī)與電子調(diào)速器控制無刷直流電機(jī)?？捎迷谒男盹w行器上的直流電機(jī)有無刷電機(jī)和有刷電機(jī)兩種。無刷電機(jī)在運行時不會產(chǎn)生火花，減小了對遙控器無線信號的干擾，同時相對于有刷電機(jī)更安靜、運行更順暢，且結(jié)構(gòu)可靠，基本不需要維護(hù)。所以電子調(diào)速器控制無刷電機(jī)更適合用作四旋翼飛行器。

2.4.2 新西達(dá)2212KV2200電機(jī)

新西達(dá)2212KV2200電機(jī)的內(nèi)部共7對極，12個繞組。

新西達(dá)2212KV2200電機(jī)的6種通電情況下，電機(jī)是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即內(nèi)部有線圈的部分為定子，有7對極的外殼為轉(zhuǎn)子。

2.5 飛控(MSP430F149)

MSP430是TI公司生產(chǎn)的低功耗系列單片機(jī)。采用16位精簡指令結(jié)構(gòu)(RSIC)[6]，其特點是：超低功耗；處理能力強；豐富的片內(nèi)外設(shè)；系統(tǒng)工作穩(wěn)定；開發(fā)環(huán)境簡單、方便。

3 軟件與控制算法

飛控程序是實現(xiàn)四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。由定時器A產(chǎn)生20 ms中斷，每次中斷發(fā)生，MSP430F149通過I2C采集一次MPU-6050的數(shù)據(jù)，獲取原始姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過遞推濾波、四元數(shù)融合算法，得到姿態(tài)角，再根據(jù)需要的飛行姿態(tài)，并通過PID算法，計算得到電機(jī)的控制量，最后經(jīng)過PWM的方式控制電機(jī)轉(zhuǎn)速[7]。在下一次中斷發(fā)生時，飛行器的姿態(tài)信息通過MPU-6050更新到單片機(jī)，以此循環(huán)，從而實現(xiàn)了四旋翼飛行器的自平穩(wěn)控制系統(tǒng)。

程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 系統(tǒng)測試及實現(xiàn)成果

4.1 姿態(tài)解算測試

在姿態(tài)解算測試時，使用Nokia5110顯示屏，通過更改程序，可分別顯示傳感器原始數(shù)據(jù)、遞推濾波后數(shù)據(jù)、四元數(shù)算法融合后數(shù)據(jù)、PWM波占空比數(shù)據(jù)。這樣可以讓用戶直觀方便地了解到數(shù)據(jù)處理結(jié)果，便于發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行調(diào)試，如圖7所示。

圖7 顯示數(shù)據(jù)

實驗結(jié)果表明：在小幅度擺動飛行器時，屏幕顯示的姿態(tài)角信息(姿態(tài)角)無誤。

4.2 PID參數(shù)測試

PID控制的一個優(yōu)點就是可以消除不可預(yù)測的誤差，而PID參數(shù)是一組經(jīng)驗參數(shù)，需要根據(jù)實際的控制系統(tǒng)測試，選擇合適的PID參數(shù)。對于四旋翼飛行器，PID調(diào)試方法如下：

(1)四旋翼飛行器采用十字飛行方式，俯仰角由電機(jī)1、3控制，滾轉(zhuǎn)角由電機(jī)2、4控制。

(2)在調(diào)節(jié)俯仰時，先設(shè)置I、D為0(這里以P、I、D分別代表比例參數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù))，只改變P的量，由小到大依次變化。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，或收斂振蕩時，此時的P值就是所需要的數(shù)據(jù)。

(3)比例環(huán)節(jié)是PID調(diào)節(jié)中最難調(diào)節(jié)的一個，只要確定了P值，積分和微分環(huán)節(jié)就比較容易實現(xiàn)。

(4)微分系數(shù)D也是影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)的一個重要參數(shù)。微分環(huán)節(jié)的作用就是減緩誤差的變換速度。在四旋翼飛行器中，就是讓旋翼的擺動速度不能過快。在步驟(2)中，四旋翼飛行器已經(jīng)出現(xiàn)等幅振蕩，在等幅振蕩的過程中，兩個極值處的振蕩速度最慢，在中間理想位置處，振蕩速度最快。加入了微分環(huán)節(jié)D之后，在振蕩速度最快的中間理想位置，微分環(huán)節(jié)作用最大，從而抑制了系統(tǒng)的過調(diào)，只要選擇合適的D值，四旋翼飛行器就會快速、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)到理想位置，而且不會出現(xiàn)過調(diào)。

PID參數(shù)的設(shè)定受到系統(tǒng)實際情況的影響，在不同的四旋翼飛行器之間也有所不同，所以PID參數(shù)需要實際的測試才能夠確定。PID參數(shù)的測試結(jié)果如表1和表2所示。

表1 俯仰角

表2 滾轉(zhuǎn)角

5 結(jié)論

本試驗對四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，完成了四旋翼飛行器的自平穩(wěn)控制系統(tǒng)，能夠基本實現(xiàn)四旋翼飛行器的平穩(wěn)起飛與降落。本文介紹四旋翼飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展歷程，列舉了四旋翼飛行器研究的部分技術(shù)難點，對四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)進(jìn)行了分析，并介紹了四旋翼飛行器軟、硬件的實現(xiàn)。

[1] DAS A, SUBBARAO K, LEWIS F. Dynamic inversion with zero-dynamics stabilization for quad-rotor control[J]. IET Control Theory and Applications, 2009, 3(3): 303-314.

[2] MIAN A A,Wang Daobo. Modeling and back stepping-based nonlinear control strategy for a 6 DOF quad-rotor helico-pter[J]. Chinese Journal of Aeronautics,2008(21):261-268.

[3] 侯永鋒,陸連山,高尚德,等. 基于PD算法的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2012,31(3):359-362.

[4] 王璐. 欠驅(qū)動四旋翼無人飛行器的滑?？刂芠J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, 2012,33(10):1-6.

[5] 陳衛(wèi),楊忠,夏玉亮,等. MEMS加速度傳感器在微型特種機(jī)器人中的應(yīng)用[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2009,28(7):110-113.

[6] 楊平,王威. MSP430系列超低功耗單片機(jī)及應(yīng)用[J]. 國外電子測量技術(shù),2008，27(12):48-50.

[7] 黎泉,蘇家強,李曉冉. 直流電機(jī)同步控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 河池學(xué)院學(xué)報, 2010，30(5):46-51.

Design of quad-rotor aircraft control system based on MSP430 MCU

Tang Jinping, Zhou Lei, Jin Asuo

(School of Electrical Engineering, Nantong University, Nantong 226019,China)

Quad-rotor aircraft is drived by four motors with blades and forms a cross structure. This experiment takes MSP430F149 as the main chip, and builds a quad-rotor aircraft control system. The MPU-6050 sensor is used to get attitude information of the quad-rotor aircraft. Processing raw data is obtained by recursive filtering algorithm and the reliable attitude angle is got by quaternion algorithm. Then by means of PID control algorithm, the unpredictable error of quad-rotor aircraft in flight is eliminated. Finally, quad-rotor aircraft is controlled smoothly by PWM to control four brushless DC motors. The experiment designs a quad-rotor aircraft control system, and achieves a smooth tack-off and landing.

MSP430; MPU-6050; Euler angle; quad-rotor; closed-loop control

南通大學(xué)研究生科研創(chuàng)新計劃項目(YKC14022)

TP29

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.002

湯金萍，周雷，金阿鎖. 基于MSP430單片機(jī)的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(20)：9-12.

2016-05-19)

湯金萍(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向：智能控制、模式識別。

周雷(1992-)，男，學(xué)士，主要研究方向：機(jī)器人及控制。

金阿鎖(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)器人及控制。