高 明， 張培亮

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

多數(shù)據(jù)融合的四軸飛行器硬件電路設(shè)計(jì)*

高 明， 張培亮

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

根據(jù)四軸飛行器的結(jié)構(gòu)和飛行模式，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體硬件電路結(jié)構(gòu)。硬件電路基于Cortex—M4內(nèi)核STM32F407系列ARM芯片。設(shè)計(jì)的外圍電路包括無線通信模塊、視頻采集模塊和GPS接收，發(fā)送模塊以及測量飛行姿態(tài)的各個傳感器模塊。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)硬件電路系統(tǒng)的可行性。

四軸飛行器； 全球定位系統(tǒng)定位； 圖像采集； 姿態(tài)測量； STM32

0 引 言

鑒于四軸飛行器的自身特點(diǎn)，增加圖像采集模塊，則能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對災(zāi)區(qū)信息的采集和獲取，大大提高了減災(zāi)效果，提升了災(zāi)害現(xiàn)場勘查能力，避免了因重災(zāi)區(qū)域短時(shí)難以抵達(dá)、交通受阻而無法掌握具體災(zāi)情的“信息盲區(qū)”現(xiàn)象[1～3]。全球定位系統(tǒng)(GPS)定位是無人飛行器實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和位置獲取的重要環(huán)節(jié)，可以基于GPS定位信息，并按照一定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，尋找一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)路徑[4]。

四軸飛行器是一個非線性多耦合的欠驅(qū)動系統(tǒng)，其控制問題一直以來都是科學(xué)研究者比較關(guān)注的問題[5,6]。四軸飛行器是一個具有六自由度 ( 位置與姿態(tài) ) 和 4 個控制輸入 ( 旋翼轉(zhuǎn)速 ) 的欠驅(qū)動系統(tǒng)，具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合和干擾敏感的特性，使得飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常困難[7]。為此，本文對采集的姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，采用卡爾曼濾波算法來融合加速度和陀螺儀的數(shù)據(jù)，同時(shí)對圖像信息和GPS信息也進(jìn)行處理。對于位姿解算，本文采用四元數(shù)法并結(jié)合方向余弦矩陣完成姿態(tài)解算，并以解算的姿態(tài)角作為反饋完成四軸飛行器的飛行控制。

1 原理分析

飛行器通過平衡2個螺旋槳產(chǎn)生的力來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的盤旋以及精確飛行[8,9]。飛行器的輸入轉(zhuǎn)矩由無刷電機(jī)提供，通過調(diào)節(jié)各個帶槳電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變飛行器升力和推力的大小，實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)與航向的控制。

四軸飛行器輸入4個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出卻是 6 個自由度方向的運(yùn)動，故而屬于欠驅(qū)動系統(tǒng)，具有高度耦合的動態(tài)特性，其直觀地體現(xiàn)在飛行器一個螺旋槳轉(zhuǎn)速發(fā)生改變的情況下，將產(chǎn)生至少 3 個自由度方向上的運(yùn)動。控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的精度對四軸飛行器的穩(wěn)定飛行具有重要的意義。

2 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖1。微處理器模塊選用ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407ZGT6，它的時(shí)鐘頻率可以達(dá)到168 MHz，并且擁有I2C總線接口、JTAG接口、SPI接口、AD采集接口、多路PWM輸出和多個串口，且該芯片集成FPU和DSP指令，便于多樣化傳感器的掛接和復(fù)雜運(yùn)算。此微控制器具有14個定時(shí)器，對于信號采集和PWM輸出均能滿足。

圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

四軸飛行器要求整體設(shè)計(jì)質(zhì)量較輕，體積較小，因此在電池的選取方面，采用體積小、質(zhì)量輕、容易大的鋰電池供電最合適。本電路采用AMS1117—3.3核心芯片和電調(diào)提供5 V電源部分。將11.4 V電池電源經(jīng)過電調(diào)后降到5 V后再輸入AMS1117—3.3穩(wěn)壓為3.3 V，為STM32F407和無線通信模塊供電。

2.2 姿態(tài)測量模塊設(shè)計(jì)

四軸飛行器受電機(jī)振動和外界干擾影響較大，精確數(shù)學(xué)模型建立較難，且其載重有限，一般以慣性器件作為姿態(tài)測量裝置，姿態(tài)測量部件是整個硬件系統(tǒng)的重要部分。本設(shè)計(jì)綜合考慮硬件設(shè)計(jì)原則，采用MPU—6050模塊作為飛行器的姿態(tài)傳感器。MPU—6050通過I2C協(xié)議接口進(jìn)行通信，只需要將MPU—6050的SDA數(shù)據(jù)線和SCL時(shí)鐘線與STM32通用I/O口相連接。

2.3 無線通信模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在GPS方位信息回傳和圖像采集兩方面需要無線通信，并且在上位機(jī)和飛控端需要數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)合通信距離、成本等因素，本設(shè)計(jì)選用NRF24L01無線模塊器件。其發(fā)射電路可以通過LC振蕩電路構(gòu)成。為了便于維修，利用接口將無線模塊獨(dú)立出來。

2.4 圖像采集模塊設(shè)計(jì)

圖像采集模塊采用的攝像頭OV2640 是 OV(OmniVision)公司生產(chǎn)的1/4 in(1in=2.54cm)的 CMOS UXGA(1 632×1 232)圖像傳感器。該傳感器體積小、工作電壓低，支持SCCB接口，并兼容I2C接口。通過 SCCB 總線控制，可以輸出整幀、子采樣、縮放和取窗口等方式的各種分辨率 8/10 位影像數(shù)據(jù)。

2.5 高度測量模塊設(shè)計(jì)

高度測量模塊采用的MS5611—01BA氣壓傳感器是由MEAS(瑞士)推出的SPI和I2C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達(dá)到10 cm。該傳感器模塊包括一個高線性度的壓力傳感器和 一個超低功耗的24位Σ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(工廠校準(zhǔn)系數(shù))。MS5611提供了一個精確的24位數(shù)字壓力值和溫度值以及不同的操作模式，可以提高轉(zhuǎn)換速度并優(yōu)化電流消耗。高分辨率的溫度輸出無須額外傳感器可實(shí)現(xiàn)高度計(jì)/溫度計(jì)功能。MS5611壓力傳感器只有5.0 mm×3.0 mm×1.0 mm的小尺寸可以集成在移動設(shè)備中。具體電路圖如圖2所示。

圖2 高度測量電路

2.6 串口電路設(shè)計(jì)

這是USB串口同STM32F407ZGT6的串口1進(jìn)行連接的接口，標(biāo)號RXD和TXD是USB轉(zhuǎn)串口的2個數(shù)據(jù)口(對CH340G來說)，而PA9(TXD)和PA10(RXD)則是STM32的串口1的兩個數(shù)據(jù)口(復(fù)用功能下)。將它們連接在一起，即可實(shí)現(xiàn)STM32的程序下載以及串口通信。

2.7 數(shù)字羅盤電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中所選用的磁阻傳感器為 Honeywell 公司的 HMC5883L 三軸磁阻式地磁傳感器。它可以同時(shí)測量三個軸向的磁場分量，具有軸向高靈敏度以及線性度高的特點(diǎn)；采用無鉛表面封裝技術(shù)，帶有 I2C 接口，尺寸為 3.0 mm×3.0 mm×0.9 mm；磁場測量范圍最大能達(dá)到±8.1 G，最小分辨率可達(dá)到 0.73 mGs/LSB。具體電路如圖3所示。

圖3 數(shù)字羅盤電路

3 實(shí)驗(yàn)與測試分析

3.1 慣性測量數(shù)據(jù)測試

整個飛控系統(tǒng)的姿態(tài)解算芯片是采用Cortex—M4內(nèi)核的STM32F407ZGT6來進(jìn)行解算，并采用MPU6050作為系統(tǒng)的慣性測量單元，可以輸出角速度和加速度的原始數(shù)據(jù)，通過卡爾曼濾波進(jìn)行濾波處理，濾波處理后通過四元數(shù)法進(jìn)行解算，并運(yùn)用龍哥—庫塔法更新四元數(shù)，最后輸出姿態(tài)角和其他測量信息。在實(shí)驗(yàn)時(shí)隨意的轉(zhuǎn)動四軸飛行器，然后將解算的各種飛行器姿態(tài)信息通過無線模塊回傳到上位機(jī)上進(jìn)行顯示。解算后的信息如圖4所示。

圖4 慣性測量數(shù)據(jù)解算圖

通過圖4可以看到，隨意的晃動四軸飛行器，通過求解四元數(shù)微分方程可以實(shí)時(shí)地對姿態(tài)角和各軸的加速度信息進(jìn)行解算和顯示。

3.2 圖像采集測試

OV2640攝像頭的圖像輸出格式一般有SXGA(1 280×1 024),XGA(1 024×768),SVGA(800×600),VGA(640×480),CIF(352×288),WQVGA(400×240),QCIF(176×144)等，圖像的輸出主要在控制像素時(shí)鐘(PCLK)、幀同步信號(VSYNC)、行參考信號(HREF)、行同步信號(HSYNC)的控制下進(jìn)行。要實(shí)現(xiàn)對圖像的采集，對OV2640進(jìn)行相關(guān)配置，如圖像窗口設(shè)置、圖像輸出大小設(shè)置等等;按照OV2640讀取數(shù)據(jù)的時(shí)序操作，得到圖像數(shù)據(jù)。OV2640的圖像數(shù)據(jù)輸出格式有RGB565和JPEG兩種，本設(shè)計(jì)中采用JPEG方式，其輸出的數(shù)據(jù)是壓縮后的JPEG數(shù)據(jù)。

整個讀取圖像數(shù)據(jù)的具體操作如下：等待VSYNC為高電平→等待HREF為高電平→等待PCLK的上升沿→讀取JPEG數(shù)據(jù)→等待HREF為高電平→等待PCLK的上升沿→讀取JPEG數(shù)據(jù)→等待HREF為高電平…→VSYNC為低電平→完成一幀JPEG數(shù)據(jù)讀取。對以上循環(huán)執(zhí)行，即可完成圖像的讀取。

當(dāng)完成OV2640對一幀圖像的讀取后，JPEG數(shù)據(jù)是存放在預(yù)先定義的一個數(shù)組中，當(dāng)該數(shù)組中數(shù)據(jù)滿后，采用ZigBee串口模塊將其發(fā)向上位機(jī)。上位機(jī)采用網(wǎng)上的開源軟件“串口攝像頭軟件”，當(dāng)接收到一幀數(shù)據(jù)后就會顯示出來。循環(huán)執(zhí)行上述過程，即可完成圖像的無線采集和顯示。

3.3 GPS數(shù)據(jù)回傳顯示測試

本設(shè)計(jì)的GPS采用的BN—280是深圳北天通訊公司研發(fā)的高性能、低功耗GPS定位模塊，模塊通過串口與飛控連接，其水平定位精度可達(dá)2.0 m左右，測速精度可達(dá)0.1 m/s，航向角經(jīng)度可達(dá)0.5°。該模塊一般可輸出GPS和GLONASS兩種數(shù)據(jù)幀，常用的比如有GPGSV，GNGGA，GNGSA，GNRMC，GNVTG等等。在對GPS原始數(shù)據(jù)解析時(shí)采用目前的NMEA—0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，當(dāng)GPS接收機(jī)上電后，會自動通過串口或USB口發(fā)送NMEA0183格式的數(shù)據(jù)包，它是一組包含有各種地理位置信息的字符串，它包含了定位時(shí)間、緯度、經(jīng)度、高度、定位所用的衛(wèi)星數(shù)、DOP值、差分狀態(tài)和校正時(shí)段等，其他的有速度、跟蹤、日期等。數(shù)據(jù)幀格式一般為

$信息類型，xxx，xxx，xxx，xxx，xxx，xxx，xxx

每行開頭的字符都是‘$’，接著是信息類型，后面是數(shù)據(jù)，以逗號分隔開。比如鑒于此特征，即可通過判斷幀頭“$信息類型”和分離逗號的方法將接收的數(shù)據(jù)解析成經(jīng)緯度、高度等信息。將得到的位置數(shù)據(jù)通過無線模塊傳回進(jìn)行解析顯示，顯示的圖片如圖5所示。

圖5 GPS位置信息顯示圖

4 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)可以看到該硬件系統(tǒng)的姿態(tài)測量傳感器可以有效完成對飛行過程姿態(tài)數(shù)據(jù)的解算和處理，圖像采集模塊和GPS模塊也可以有效地完成圖像信息和GPS定位信息的采集和實(shí)時(shí)回傳。

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Design of quadrotor hardware circuit with multi-data fusion*

GAO Ming, ZHANG Pei-liang

(School of Optoelectronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

Hardware circuit structure of the system is designed based on structure and flight mode of Quadrotor.The MCU of hardware circuit is based on Cortex-M4 STM32F4 series of ARM chips.The hardware circuit includes wireless communication module,video capture module and GPS receiving and transmitting module and each sensor modules which measure flight attitude.Feasibility of the designed hardware circuit system is validated by experiments.

quadrotor; GPS positioning; image acquisition; attitude measurement; STM32

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0113—03

2016—12—16

陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(14JS034)

V 275

A

1000—9787(2017)03—0113—03

高 明(1964-)，男，博士，教授，主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)理論及技術(shù)，光電精密測試技術(shù)，光大氣傳輸理論及技術(shù)的研究工作。

張培亮,通訊作者，E-mail：ZPL304@163.com。