郭志峰 陳凱生

摘 要：四旋翼無人機是一個復雜的多輸入多輸出系統(tǒng)，控制難度較大，一直是研發(fā)人員的重點研究對象，本文以DSP為核心控制器，利用DSP可以快速實現(xiàn)各類數(shù)字信號處理算法的優(yōu)勢，研究在DSP環(huán)境下四旋翼無人機控制系統(tǒng)的設計，包括硬件設計和軟件設計，并利用自動代碼生成技術(shù)實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：四旋翼；DSP；控制

四旋翼無人機具有結(jié)構(gòu)簡單，可垂直起降、對飛行空間要求少等優(yōu)點，近年來備受研究人員的關(guān)注，四旋翼無人機的研究熱度持續(xù)增加。四旋翼無人機是一個典型多輸入多輸出系統(tǒng)，控制難度較大，需要處理器對姿態(tài)傳感器采集的姿態(tài)信號快速處理，并發(fā)送控制信號給動力系統(tǒng)，時時調(diào)整無人機飛行姿態(tài)。因此，四旋翼無人機的控制器需要具有快速實現(xiàn)各類數(shù)字信號處理算法的能力，而DSP即數(shù)字信號處理器可以解決這一問題。

本文以TMS320F28335為核心，研究四旋翼無人機的控制系統(tǒng)設計。TMS320F28335型數(shù)字信號處理器是TI公司的一款TMS320C28X系列浮點DSP控制器。與以往的定點DSP相比，該器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點[1]。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮 點處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多達18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出 （HRPWM），12位16通道ADC，滿足四旋翼無人機的基本需求。無人機控制系統(tǒng)可分為硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計兩部分。

1 系統(tǒng)硬件整體設計

無人機控制系統(tǒng)硬件部分主要包括處理器模塊、姿態(tài)檢測模塊、無線通訊模塊、穩(wěn)壓供電模塊等，硬件系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)以DSP控制器為主要處理器，起到對無人機各個模塊整體協(xié)調(diào)的作用。慣性測量模塊（IMU）主要包括MPU6050姿態(tài)傳感器和高度氣壓計等，用來測量四旋翼無人機的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)和高度數(shù)據(jù)；無線通訊模塊主要指與遙控器配對使用的接收機，無線電遙控器通過接收機遠程遙控四旋翼無人機，進行姿態(tài)控制；電機驅(qū)動模塊主要是指電子調(diào)速器，可以方便的控制直流無刷電機，電子調(diào)速器主要由六個功率開關(guān)和ECU芯片組成，主要功能是將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?，波形一般為梯形波；穩(wěn)壓供電模塊主要負責整個系統(tǒng)的穩(wěn)定供電，防止電脈沖信號對電子元器件的損壞；上位機可以通過串口與飛控系統(tǒng)連接，采集四旋翼無人機的飛行數(shù)據(jù)，以便調(diào)試和更好的控制。

2 系統(tǒng)軟件整體設計

系統(tǒng)軟件部分設計的思路是，慣性測量傳感器測的飛機姿態(tài)信號和氣壓計測的高度信號進行數(shù)據(jù)融合處理后，解出飛機的俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角信號，再將這些姿態(tài)信號傳遞給DSP控制器進行數(shù)據(jù)處理，這些信號經(jīng)過DSP控制器控制算法運算后，輸出PWM信號給電子調(diào)速器，進而控制無刷直流電機的轉(zhuǎn)速，達到無人機穩(wěn)定飛行。

姿態(tài)解算是四旋翼無人機控制的關(guān)鍵之一，姿態(tài)解算的精度和速度將直接影響飛行控制算法的穩(wěn)定性、可靠性和實現(xiàn)的難易程度，所以，姿態(tài)解算是飛行控制實現(xiàn)的前提[2]。常用的姿態(tài)解算算法有很多，如歐拉角法，四元數(shù)法，方向余弦法。姿態(tài)解算的主要作用是將姿態(tài)傳感器和加速度傳感器信號轉(zhuǎn)化為無人機的姿態(tài)角和速度信號。本控制系統(tǒng)用的是基于四元數(shù)的姿態(tài)解算算法，四元數(shù)是愛爾蘭數(shù)學家哈密頓發(fā)明的數(shù)學概念，它是復數(shù)在四維空間的延伸，它實質(zhì)上是求解四個未知量的線性微分方程組，具有計算量小、算法簡單等特點。

3 自動代碼生成

系統(tǒng)硬件和軟件搭建起來后，需要對DSP開發(fā)板進行程序編寫和下載。傳統(tǒng)的DSP開發(fā)方式是在TI公司提供的CCS軟件下編寫程序，經(jīng)過仿真器與DSP開發(fā)板連接，然后進行調(diào)試、下載等工作，這樣做開發(fā)效率低下、容易出錯。而MATLAB為開發(fā)人員提供了DSP的自動代碼生成技術(shù)，使軟件開發(fā)人員擺脫了底層開發(fā)的困擾，同時將算法設計和代碼實現(xiàn)在統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境中進行，完成了算法仿真和系統(tǒng)實現(xiàn)的無縫連接[3]。

MathWorks公司和TI公司聯(lián)合開發(fā)了CCSLink工具，提供了MATLAB和CCS的接口，即把MATLAB和TI CCS及目標DSP連接起來。而且Simulink中集成了DSP的開發(fā)模塊，本文在Simulink環(huán)境下建立控制系統(tǒng)模型，并進行模型仿真，對算法進行驗證，一旦仿真結(jié)果滿意，便可以插入C2000 DSP的應用模塊，利用Real―Time Workshop直接生成DSP的可執(zhí)行目標代碼，完成代碼加載、執(zhí)行及與目標DSP進行通信等功能。

4 結(jié)語

通過利用TMS320F28335搭建四旋翼無人機控制系統(tǒng)，充分利用DSP數(shù)字信號處理方面的優(yōu)勢，綜合硬件部分和軟件部分，通過在自動代碼生成技術(shù)，在Simulink中搭建仿真模型并驗證，生成代碼加載到DSP目標板中，最終實現(xiàn)了四旋翼無人機的穩(wěn)定飛行。

參考文獻

[1] 雷曉瑜，曹廣忠.TMS320F28335及其最小應用系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2009， 17（1）：91-92.

[2] 梁延德，程敏，何福本 等.基于互補濾波器的四旋翼飛行器姿態(tài)解算[J].傳感器與微系統(tǒng)， 2011，30（11）：56-58.