河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院 裴榮紅 王亞飛 鄭建樂

模型火箭自動分離返航是科研類全國航空航天模型錦標(biāo)賽的重要比賽項目之一，其中自動分離是比賽的難點之一。為了使模型火箭能在準(zhǔn)確的高度分離，論文以模型火箭為研究對象，提供一種基于MPU6050模塊的模型火箭定高分離系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)采用STM-32F103ZET6作為主控芯片MPU6050模塊作為加速度傳感器。經(jīng)過試驗測試該系統(tǒng)可以幫助模型火箭在準(zhǔn)確位置開傘，達(dá)到設(shè)計要求。

引言：全國航空航天模型錦標(biāo)賽有一項重要比賽稱之為“嫦娥奔月”，該項比賽要求模型火箭能在正確高度上實現(xiàn)開傘操作。目前比賽的參賽選手大多采用機械裝置或更改發(fā)射角度等方法來實現(xiàn)目標(biāo)（白心愛,薛儒杰.基于STC89C51單片機的氣壓開傘設(shè)計[J].長治學(xué)院學(xué)報,2017,10）。不過這些方法精度較低且需多次實驗收集數(shù)據(jù)，由此造成成本居高不下，同時這些方法受環(huán)境因素的影響比較大，比賽時容易失敗。為了減少意外情況的出現(xiàn)提高模型火箭分離開傘裝置的可靠性，本文提出一種新型的采用STM32F103ZET6作為主控芯片MPU6050模塊作為加速度傳感器的分離系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)與采用超聲波傳感器、紅外線傳感器的系統(tǒng)相比，具有更高的可靠性與成功率。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

本分離系統(tǒng)是由單片機以及3軸加速度模塊和舵機等組成。由于模型火箭載重有限，電源采用超輕鋰電池伺服系統(tǒng)采用銀燕9g舵機，重量輕的同時又能夠提供足夠的拉力與電力（邢博聞.加速度傳感器在模型火箭定高分離中的應(yīng)用[J].科技技創(chuàng)新導(dǎo)報,2016,06）。當(dāng)經(jīng)單片機運算識別出模型火箭達(dá)到準(zhǔn)確高度后通過I/O模擬的PWM脈沖波控制舵機旋轉(zhuǎn)使舵機輪旋轉(zhuǎn)90度將箭體與返回艙之間的鎖扣打開利用火箭安裝時壓縮的彈簧使返回艙與箭體分離。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

模型火箭系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6芯片為主控，結(jié)合MPU6050模塊可對模型火箭飛行中的加速度進(jìn)行實時采集并進(jìn)行姿態(tài)運算，尋找最佳開傘位置。MPU-6050使用I2C串行通信至系統(tǒng)處理器接口。與系統(tǒng)處理器通信時，MPU-6050始終充當(dāng)從屬設(shè)備（康海,趙坤,劉書林.基于MPU6050模塊的飛行姿態(tài)記錄系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2015,5）。初始化MPU6050后采用定時器中斷以一定頻率讀取相關(guān)寄存器的數(shù)值就可以得到16位的三軸加速度AD值、三軸角速度用于求解姿態(tài)。

MPU6050簡介：MPU-6050當(dāng)中含有三個獨立的振動MEMS速率陀螺儀，可檢測X軸，Y軸和Z軸的旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)圍繞任何感應(yīng)軸旋轉(zhuǎn)時，科里奧利效應(yīng)就會產(chǎn)生電容式傳感器檢測到的振動。所得到的信號被放大，解調(diào)和濾波產(chǎn)生與角速度成比例的電壓。該電壓使用單獨的片內(nèi)數(shù)字化16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對每個軸進(jìn)行采樣。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

中控系統(tǒng)軟件流程如圖1所示，初始化系統(tǒng)與各個模塊，包括串口的初始化、定時中斷初始化、MPU6050初始化等。初始化完成之后打開定時器中斷以一定時間間隔讀取傳感器MPU6050中的16位的三軸加速度AD值、三軸角速度AD值。得到數(shù)據(jù)后經(jīng)過姿態(tài)解算后判斷是否達(dá)到正確位置，達(dá)到正確位置后即打開鎖扣釋放降落傘。

圖1 中控系統(tǒng)軟件流程圖

姿態(tài)解算：Roll-pitch-yaw模型是表示飛行器當(dāng)前飛行姿態(tài)的一個通用模型，就是建立如圖2所示坐標(biāo)系，并用Roll表示繞X軸的旋轉(zhuǎn)，Pitch表示繞Y軸的旋轉(zhuǎn)，Yaw表示繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。

圖2 通用模型坐標(biāo)系

由于MPU6050可以獲取三個軸向上的加速度，由于地球重力是一個永久存在且恒定不變垂直向下的力，所以當(dāng)我們求解姿態(tài)的時候可以以重力加速度為參考。為方便起見，我們讓芯片正面朝下固定在下圖飛機上，那么MPU6050的座標(biāo)系與飛機的坐標(biāo)系相同，加速度向量j(x，y，z)可以由分解在三個軸上的加速度分量構(gòu)成。如果a垂直于地面向上那么飛機此時應(yīng)當(dāng)處于勻速直線運動狀態(tài)。即與Z軸負(fù)方向同向，大小為（應(yīng)該與g相等且方向相反，）。若飛機發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由于j仍然豎直向上，所以Z軸負(fù)方向?qū)⒉辉倥cj重合。Z軸正方向也就是機腹向下，X軸正方向也就是飛機前進(jìn)方向（圖中的左面）。此時芯片的Roll角ψ就變成了j與其在XZ平面上投影（x，0z）的夾角，Pitch角ω就是j在YZ平面上投影(0，y，z)和加速度向量的夾角。求兩個向量的夾角可用點乘公式：，簡單推導(dǎo)可得：及由此就可以得到飛行器的大概姿態(tài)了。

4 總結(jié)

該模型火箭分離系統(tǒng)采用精度比較高的加速度傳感器配合強大的主控芯片為硬件平臺。解決了模型火箭無法準(zhǔn)確可靠實現(xiàn)分離開傘操作的問題。該模型火箭分離系統(tǒng)已經(jīng)在競賽中服役。實際應(yīng)用表明模型火箭分離系統(tǒng)具有測試準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、成本低廉等特點。達(dá)到了設(shè)計要求。