崔曉康+高潤秋+曾云豪+莊志鵬

【摘 要】本文主要是介紹一種基于SUB協(xié)議實現(xiàn)對四旋翼的控制。本案例采用STM32F407RBT6微控制器為核心，控制Pixhawk飛控板實現(xiàn)四旋翼的起飛，降落，飛行動作控制。STM32上采用外置透傳模塊LC12S將數(shù)據(jù)回傳到上位機，已達(dá)到實時監(jiān)測和緊急降落的目的。該控制芯片接口多，速率快，可用于搭載攝像頭，藍(lán)牙，電子羅盤等外設(shè)以用于四旋翼拓展功能開發(fā)。

【關(guān)鍵詞】SBUS協(xié)議；STM32；Pixhawk飛控板；LC12S；

一、引言

多旋翼這個概念在很早以前就被提出來了，它的歷史可以追溯到20世紀(jì)初，但是由于受到理論知識和科技發(fā)展水平的限制，多旋翼飛行器在很長一段時間內(nèi)都沒得到足夠的重視和發(fā)展[1]。四旋翼是多旋翼的一種，它主要通過改變4個電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)旋翼的升力，我們只需要控制四個電機就可以實現(xiàn)飛控算法的開發(fā)。傳統(tǒng)四旋翼的控制采用控制板輸出四路PWM波到飛控板，進(jìn)而直接經(jīng)行飛行姿態(tài)的控制。這種方式需要讀取飛控板三軸加速度計算姿態(tài)角，對于輸出參數(shù)還需要PID整定，這種控制方式很直接，但是算法復(fù)雜，對主控板處理速度要求高。Pixhawk公司最近推出的飛控板不僅支持傳統(tǒng)的多通道PWM波直接控制，也添加了SBUS協(xié)議對其經(jīng)行控制，本文主要是介紹SBUS協(xié)議下對四旋翼的控制。

二、SBUS協(xié)議簡介

SBUS是Smart-Bus的簡稱，是日本Futaba公司自行研發(fā)的一種單總線探測協(xié)議，使用兩條線進(jìn)行通信，一條是地線，一條是信號線，單向傳輸距離1600m，雙向可達(dá)3200m。[2]

（一）SBUS物理層協(xié)議

SBUS串口協(xié)議波特率100kbps（100000），8位數(shù)據(jù)，偶校驗（even），2位停止位，無流控，每幀25字節(jié)兩幀之間間隔4ms，數(shù)據(jù)長度大約7ms。每幀數(shù)據(jù)中0x0f作為該協(xié)議的其實字節(jié)，2-23字節(jié)為16個通道數(shù)據(jù)，24-25字節(jié)為結(jié)束字節(jié)。對于四旋翼的控制我們只需要控制其中5個通道數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)四旋翼的整體飛行姿態(tài)控制。

（二）SBUS協(xié)議特點

該協(xié)議有兩個特點：一個是數(shù)字化，一個是總線化。

我們所要發(fā)的通道數(shù)據(jù)信號都采用了PAM基帶調(diào)制，數(shù)字化的信號相比于PWM波抗干擾能力更強，并且這種基帶信號及其適合于單片機間通信。

采用總線化的方式，這樣我們就能同時在一個接口上連接多個設(shè)備，多主機方式工作，節(jié)點上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。[3]

三、系統(tǒng)設(shè)計

STM32F407是意法半導(dǎo)體推出的高性能，高集成度的控制芯片。在168 MHz頻率下，從Flash存儲器執(zhí)行時，STM32F407/417能夠提供210 DMIPS/566 CoreMark性能，并且利用意法半導(dǎo)體的ART加速器實現(xiàn)了FLASH零等待狀態(tài)。DSP指令和浮點單元擴大了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。通過定時器讀取超聲波數(shù)據(jù)，將飛機飛行高度限制在1m；通過串口與LC12S相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)會傳到上位機；通過JTAG經(jīng)行代碼調(diào)試和燒寫，最后采用軟件模擬SBUS協(xié)議將通道數(shù)據(jù)發(fā)給飛控板。

（一）定時器配置

對于HC-SR04超聲波數(shù)據(jù)我們采用通用定時器讀取數(shù)據(jù)，通過超聲波數(shù)據(jù)將飛行器高度定在1m-1.3m范圍內(nèi)。通用定時器包含一個16位或32位自動重載計數(shù)器，可通過軟件經(jīng)行編程。在讀取HC-SR04數(shù)據(jù)時，定時器采用輸入捕獲模式，計算出飛機所處高度。

四、軟件設(shè)計流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用C語言開發(fā)，同時使用STM32F4xx_StdPeriph_lib v1.0.2.7標(biāo)準(zhǔn)庫經(jīng)行開發(fā)。這個固件庫時stm32官方發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)庫，它囊括了微控制器所有的外設(shè)特征，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，宏定義。采用庫文件提供的API開發(fā)，開發(fā)者不必深入了解底層硬件，開發(fā)代碼可讀性好，開發(fā)效率高。

（一）系統(tǒng)控制流程

首先初始化中斷向量控制表，配置中斷設(shè)置中斷優(yōu)先級；將PA0設(shè)置成SBUS輸出的信號線，飛機的控制參量都是通過該口發(fā)送到Pixhawk飛控板上；PA2，PA3分別配置成USART2的接受和發(fā)送引腳，并和LS12C相連；定時器2配置成輸入捕獲模式，PB3配置成定時器2的輸入捕獲引腳，用來捕獲來自超聲波的脈沖信號PB4配置成通用輸出，用來產(chǎn)生出發(fā)超聲波的觸發(fā)信號；定時器3配置成計數(shù)中斷模式，用于飛機在一定高度時候的定時產(chǎn)生降落指令。

（二）飛行動作控制

當(dāng)四旋翼定高之后，它會等待來自上位機的控制指令，在一定時間內(nèi)未收到上位機的指令，四旋翼僅僅完成起飛，定高，降落。四旋翼在運行過程中它只收到主控板STM32F407的控制，因此我們規(guī)定‘S用于緊急降落，以防發(fā)生意外，除此之外我們還定義了8條指令，用于控制四旋翼的飛行動作控制，8條指令包括前，后，左，右，機頭方向，油門參量的控制。

五、四旋翼飛行測試結(jié)果

本次飛行是獨立于遙控器的飛行測試，四旋翼在整個飛行過程中，運行平穩(wěn)，能夠很好的完成起飛，定高，降落流程。另外，四旋翼對SBUS的飛行動作數(shù)據(jù)響應(yīng)很快，飛行動作控制流暢，沒有出現(xiàn)失控等異常情況。

六、結(jié)語

本文采用的方法得到了驗證，飛行實驗證明，采用SBUS協(xié)議對Pixhawk飛控板進(jìn)行控制的方法，相對于采用4路PWM波直接控制方法更為簡潔直觀，飛行器飛行狀態(tài)也更加穩(wěn)定。除此之外STM32F407還配有豐富的外設(shè)接口，我們可以外接攝像頭，電子羅盤，GPS等外設(shè)讓四旋翼具有航拍，圖像處理，巡航等高級功能。

致謝：本課題由北京市大學(xué)生科研與創(chuàng)業(yè)項目“四旋翼飛行器室內(nèi)定點懸停方法實現(xiàn)”支持。

【參考文獻(xiàn)】

[1] “羿-400”多旋翼飛行控制及飛控系統(tǒng)指導(dǎo)教材；北京中科浩電科技有限公司-北京航空航天大學(xué) 聯(lián)合研制

[2]Futaba SBUS總線協(xié)議技術(shù)手冊

[3]基于Sbus通信的多電機同步技術(shù)研究；董少鵬 2017

[4] stm32f407vgt6-IqSVMvex-OjOeJk7qe技術(shù)手冊 2016