余愿

摘 ? 要：在ARM平臺設(shè)計了一種基于μC/OS- III的四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)選用STM32F103系列微控制器，采用MP1584EN降壓轉(zhuǎn)換器保證主控的供電穩(wěn)定，PWM（Pulse Width Modulation）信號的占空比控制四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以陀螺儀傳感器MPU6050為慣性測量單元，并通過互補(bǔ)濾波算法對獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，提高數(shù)據(jù)精度，實現(xiàn)了四旋翼飛行器在空中的平穩(wěn)飛行和姿態(tài)控制。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器 ?PWM ?互補(bǔ)濾波算法

中圖分類號：V249 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（b）-0006-03

四旋翼飛行器與傳統(tǒng)飛行器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、載重能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點，通過對四翼上的四個電機(jī)的控制就能實現(xiàn)垂直升降、空中翻滾、懸空停止的功能。四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)比較靈活，可以小型化使其用于航拍、軍事偵察，同時又因能避免復(fù)雜的空氣動力學(xué)問題，可以大型化應(yīng)用于遠(yuǎn)程物資運輸、農(nóng)業(yè)播種，地質(zhì)勘測等。四旋翼飛行器既能完成在室外高空的任務(wù)，又能實現(xiàn)室內(nèi)狹小空間的飛行，擺脫了傳統(tǒng)飛行器對任務(wù)環(huán)境的苛刻要求，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

1 ?飛行原理

四旋翼飛行器機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，通過控制四個電機(jī)帶動旋翼的旋轉(zhuǎn)變化產(chǎn)生升力，系統(tǒng)輸入量包括四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出量是在X、Y、Z三個方向上平移和旋轉(zhuǎn)的六個自由度，飛行姿態(tài)由電機(jī)速度控制實現(xiàn)[1]。

根據(jù)四旋翼飛行器飛行方式不同，按結(jié)構(gòu)分為X型和十字型兩種。在這兩種飛行模式下，其動力配置方式都是一樣的;飛行器對向的電機(jī)轉(zhuǎn)向相同，另一對向的電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，即相鄰的電機(jī)轉(zhuǎn)向總是相反的，目的是為了抵消電機(jī)運行時產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)。本次設(shè)計采用X型結(jié)構(gòu)，示意圖如圖1所示。

（1）垂直運動：垂直運動即飛行器高度控制，控制四個電機(jī)的輸出功率來改變螺旋槳產(chǎn)生的拉力，當(dāng)拉力大于飛行器重力時，飛行器可垂直上升，反之，飛行器垂直下降，當(dāng)拉力與重力相等時，飛行器懸空停止[2]。

（2）俯仰運動：如圖2所示，電機(jī)M1、M2降低轉(zhuǎn)速，M3、M4增加轉(zhuǎn)速，飛行器前后旋翼產(chǎn)生的升力不同，飛行器由于不平衡力矩存在就會沿著中心軸線翻轉(zhuǎn)，飛行器表現(xiàn)為做俯仰運動。同時，飛行器旋翼傾斜后其拉力產(chǎn)生了水平的一個分量，飛行器表現(xiàn)為朝前方飛行。同理，電機(jī)M1、M2轉(zhuǎn)速上升，飛行器即向后運動。

（3）橫滾運動：與俯仰運動原理相同，電機(jī)M1、M3增加轉(zhuǎn)速，M2、M4降低轉(zhuǎn)速，飛行器呈橫滾狀態(tài)向左飛行，反之亦然。

（4）偏航運動：在旋翼過程中的空氣阻力所產(chǎn)生的扭矩與旋轉(zhuǎn)方向是相反的，所以在動力布局上是一組電機(jī)正轉(zhuǎn)，一組電機(jī)反轉(zhuǎn)，從而抵消四個電機(jī)扭矩。若要實現(xiàn)偏航運動，需調(diào)整四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其扭矩不平衡。如圖3所示，電機(jī)M1、M3逆時針旋轉(zhuǎn)，增加其轉(zhuǎn)速，降低M2、M4電機(jī)的轉(zhuǎn)速，飛行器就會沿著軸心順時針旋轉(zhuǎn)以克服扭矩不平衡，此時飛行器表現(xiàn)出航向發(fā)生了變化。其運動示意圖如圖3所示。

2 ?四旋翼飛行器硬件電路設(shè)計

2.1 飛行器主控系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計將搭載實時操作系統(tǒng)，同時涉及到一些姿態(tài)轉(zhuǎn)換算法，濾波算法以及其他浮點運算處理，對芯片存儲和運算要求較高。因此，四旋翼飛行器的飛控核心單元選擇了STM32F103ZET6作為微控制器，它是一款高性能、低成本的嵌入式產(chǎn)品，芯片基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，采用2.0V-3.6V的直流電壓供電。

飛控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 電源模塊

四旋翼飛行器系統(tǒng)主控芯片供電電壓為3.3V，傳感器供電電壓為5V，而系統(tǒng)電源采用一塊11.1V的3S動力鋰電池，因此需要設(shè)計兩種供電電路。系統(tǒng)采用MP1584EN降壓轉(zhuǎn)換器將11.1V的電池電壓降到5V電壓，采用AMS1117-3.3V電源穩(wěn)壓芯片，AMS1117是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，保證了主控的供電穩(wěn)定。MP1584EN電路原理圖如圖5所示。

2.3 姿態(tài)測量模塊

姿態(tài)測量模塊采用了帶有三軸加速度計、陀螺儀以及電子羅盤的IMU慣性測量模塊;分別為三軸加速度計、陀螺儀傳感器MPU6050，以及電子羅盤HMC5883L;MPU6050模塊之間可直接通過I2C接口獲取姿態(tài)數(shù)據(jù)，將兩者的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合解算就可以得到姿態(tài)數(shù)據(jù)。姿態(tài)傳感器的電路原理圖如圖6所示。

2.4 遙控模塊

出于安全考慮，本設(shè)計采用成品2.4G七通道遙控器WFT07，遙控器是基于PPM（Pulse Position Modulation）編碼原理實現(xiàn)的;發(fā)射機(jī)發(fā)送一幀周期為20ms，包含多個周期為2ms，高電平時間為1～2ms的PWM波，7個通道就共有7路PWM波，所以一幀數(shù)據(jù)就有7個通道的數(shù)據(jù)信息，接收機(jī)接收到PPM編碼信號，通過移位寄存器解碼出7個通道的PWM信號，飛控再通過定時器的輸入捕獲功能通過I/O管腳來捕獲每個通道的PWM信號，解析出遙控器的打舵量，實現(xiàn)對飛行器的操控。

3 ?飛行器的軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度

本系統(tǒng)在μC/OS-III下設(shè)計了五個任務(wù)：LED控制任務(wù)，姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)采集與姿態(tài)解算任務(wù)，遙控信號捕獲任務(wù)，電機(jī)輸出控制任務(wù)，與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信任務(wù)，采用了優(yōu)先級搶占式任務(wù)方式進(jìn)行調(diào)度[3]。

系統(tǒng)上電后先初始化μC/OS-III，運行系統(tǒng)初始任務(wù)將飛行器上鎖，進(jìn)入等待遙控解鎖信號。飛行器數(shù)據(jù)采集任務(wù)將讀取各傳感器數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，然后進(jìn)行姿態(tài)解算，得到當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)并通過互斥信號量將解算完成數(shù)據(jù)的消息傳遞給電機(jī)輸出控制任務(wù)，電機(jī)輸出控制任務(wù)中包含了PWM信號輸出與PID算法控制;LED控制任務(wù)用來監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，通過不同的閃爍方式表示不同的狀態(tài);與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信任務(wù)負(fù)責(zé)將飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，解析出的遙控數(shù)據(jù)，計算出的各個電機(jī)的輸出值以及飛行器狀態(tài)信息通過串口發(fā)送到上位機(jī)供調(diào)試分析。

3.2 飛控姿態(tài)數(shù)據(jù)處理

姿態(tài)傳感器測量得到的數(shù)據(jù)主要是由三軸加速度計和三軸陀螺儀組成的一組多傳感器數(shù)據(jù)，為了得到能夠反映飛行器相對于地理坐標(biāo)系的姿態(tài)數(shù)據(jù)，還需要將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理得到歐拉角。從傳感器直接獲取的數(shù)據(jù)由于溫漂會產(chǎn)生偏差，數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理后再進(jìn)行姿態(tài)解算，可以減少累積誤差。

互補(bǔ)濾波算法是針對陀螺儀的高頻特性和加速度計的低頻特性進(jìn)行較好融合的一種解決方法。互補(bǔ)濾波對具有高頻噪聲的加速度計進(jìn)行數(shù)字低通濾波，對具有低速積分漂移效應(yīng)的陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字高通濾波，兩種濾波器的濾波系數(shù)之和為1，最后可以得到一個比較準(zhǔn)確的估計值，相對于單傳感器的數(shù)據(jù)，通過互補(bǔ)濾波結(jié)合兩種傳感器得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。互補(bǔ)濾波的算法結(jié)構(gòu)如圖7所示。

當(dāng)把陀螺儀和加速度計的數(shù)據(jù)輸入即可得到四旋翼飛行器的姿態(tài)信息，經(jīng)過互補(bǔ)濾波后的姿態(tài)數(shù)據(jù)融合了加速度計的低頻數(shù)據(jù)和陀螺儀的動態(tài)數(shù)據(jù)，由此可見，互補(bǔ)濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、計算量小的特點，十分適合當(dāng)前的嵌入式系統(tǒng)。將互補(bǔ)濾波用計算機(jī)能夠處理的方式描述如下：

其中Angle為數(shù)據(jù)融合后的姿態(tài)角，α為陀螺儀置信系數(shù)，Angle_gyro為陀螺儀積分后的輸出角度，β為加速度計置信系數(shù)，Angle_acc為加速度計結(jié)算后輸出的角度[3]。

3.3 接收機(jī)信號捕獲

接收機(jī)接收來自遙控的2.4G信號，并解碼為PWM信號，通過使用定時器的輸入捕獲功能將捕獲到PWM信號。

飛控主控通過定時器捕獲到接收機(jī)的PWM信號，由于采用的是成品遙控，各個廠家對于無線接收機(jī)的輸出PWM信號有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即輸出的PWM波為周期20ms，高電平有效范圍為0.9～2.1ms的波形;通過測量捕獲到的PWM波的高低電平的時間，來判斷當(dāng)前通道的遙控器打舵量。

本設(shè)計采用的STM32的定時器可以配置為輸入捕獲模式，這種定時器模式將通過I/O管腳自動捕獲PWM波的上升沿與下降沿。

先將定時器配置為輸入捕獲模式，在t1時刻，捕獲到PWM的上升沿，定時器觸發(fā)中斷，定時器TIMx_CCR1和TIMx_CCR2復(fù)位后開始計數(shù)，在t2時刻，捕獲到PWM的下降沿，定時器觸發(fā)中斷，獲取此時定時器的TIMx_CCR1寄存器數(shù)值CNT1，在t3時刻，定時器再次捕獲到了PWM的上升沿，定時器觸發(fā)中斷，此時獲取到另一個TIMx_CCR2寄存器的值CNT2，至此定時器完成了一次PWM波的捕獲。

PWM波高電平時間=CNT1*計數(shù)周期T ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

PWM波的周期=CNT2*計數(shù)周期T ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

PWM波的占空比=PWM高電平時間/PWM波的周期 （4）

3.4 PWM電機(jī)控制信號輸出

本設(shè)計采用電子調(diào)速器驅(qū)動無刷電機(jī)，由定時器輸出可供電子調(diào)速器識別的PWM波的占空比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。本設(shè)計用到的電子調(diào)速器為OPTO 18A電子調(diào)速器，兼容信號頻率為30～450Hz;通過配置STM32的一個定時器為PWM輸出模式，能夠產(chǎn)生四路獨立的PWM波形。

為了實現(xiàn)PWM方波信號的輸出，需要對定時器TIMx的寄存器進(jìn)行配置，設(shè)置重裝載寄存器TIMx_ARR的值，計算方式為：

TIMx的頻率=時鐘/（TIMx_ARR-1） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

通過配置捕獲/比較寄存器TIMx_CCRx的值來確定PWM波形的占空比，其計算方式為：

占空比=（TIMx_CCRx/TIMx_ARR） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

定時器啟動后，CNT開始計數(shù)，并與CCRx寄存器的值相比較，當(dāng)CCRx值

4 ?系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試四旋翼飛行器首先需要調(diào)試姿態(tài)傳感器的輸出數(shù)據(jù)是否正常，根據(jù)模塊手冊進(jìn)行具體的配置，再MCU讀取數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)。同時需要編寫上位機(jī)通信部分的代碼，測試與上位機(jī)的通信是否正常，能否正確解析出四旋翼下位機(jī)發(fā)出的各種數(shù)據(jù)。

在姿態(tài)傳感器獲取正常的姿態(tài)數(shù)據(jù)后，還需利用上位機(jī)的波形進(jìn)行顯示分析。經(jīng)過一系列的參數(shù)調(diào)試，最終飛行器能夠穩(wěn)定的起飛，在空中平穩(wěn)飛行，同時可以通過遙控器控制飛行器在三個維度上的姿態(tài)。

參考文獻(xiàn)

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