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(xiàng)目之一，其中自動分離是比賽的難點(diǎn)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(jì)，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(yàn)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(jì)要求。

引言：全國航空航天模型錦標(biāo)賽有一項(xiàng)重要比賽稱之為“嫦娥奔月”，該項(xiàng)比賽要求模型火箭能在正確高度上實(shí)現(xiàn)開傘操作。目前比賽的參賽選手大多采用機(jī)械裝置或更改發(fā)射角度等方法來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)（白心愛,薛儒杰.基于STC89C51單片機(jī)的氣壓開傘設(shè)計(jì)[J].長治學(xué)院學(xué)報(bào),2017,10）。不過這些方法精度較低且需多次實(shí)驗(yàn)收集數(shù)據(jù)，由此造成成本居高不下，同時(shí)這些方法受環(huán)境因素的影響比較大，比賽時(shí)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(jì)。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(jì)

本分離系統(tǒng)是由單片機(jī)以及3軸加速度模塊和舵機(jī)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(jī)，重量輕的同時(shí)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(bào),2016,06）。當(dāng)經(jīng)單片機(jī)運(yùn)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(jī)旋轉(zhuǎn)使舵機(jī)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(shí)壓縮的彈簧使返回艙與箭體分離。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(shí)時(shí)采集并進(jìn)行姿態(tài)運(yùn)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(shí)，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(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2015,5）。初始化MPU6050后采用定時(shí)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(gè)獨(dú)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(shí)，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(dú)的片內(nèi)數(shù)字化16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對每個(gè)軸進(jìn)行采樣。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

中控系統(tǒng)軟件流程如圖1所示，初始化系統(tǒng)與各個(gè)模塊，包括串口的初始化、定時(shí)中斷初始化、MPU6050初始化等。初始化完成之后打開定時(shí)器中斷以一定時(shí)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(gè)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(gè)軸向上的加速度，由于地球重力是一個(gè)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(shí)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(jī)上，那么MPU6050的座標(biāo)系與飛機(jī)的坐標(biāo)系相同，加速度向量j(x，y，z)可以由分解在三個(gè)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(jī)此時(shí)應(yīng)當(dāng)處于勻速直線運(yùn)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(jī)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(jī)腹向下，X軸正方向也就是飛機(jī)前進(jìn)方向（圖中的左面）。此時(shí)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(gè)向量的夾角可用點(diǎn)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(qiáng)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(shí)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(shí)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(diǎn)。達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。