馮澤霖

摘要：隨著自動(dòng)化技術(shù)的普及，無(wú)人機(jī)在軍事、攝影、高空作業(yè)等相關(guān)行業(yè)已經(jīng)成為必不可少的一部分，但是現(xiàn)有飛控仿真平臺(tái)收費(fèi)高昂且比較單一，不能對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行仿真同時(shí)對(duì)專(zhuān)業(yè)水平要求較高，降低了用戶(hù)體驗(yàn)感。本設(shè)計(jì)通過(guò)LabVIEW軟件與單片機(jī)來(lái)對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行讀取和分析。通過(guò)LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)仿真等一系列位功能實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行姿態(tài)的精準(zhǔn)仿真本設(shè)計(jì)邏輯層次分明，投入成本低廉，同時(shí)具有人機(jī)交互性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;單片機(jī);數(shù)據(jù)處理

為了讀取飛行過(guò)程中的位姿數(shù)據(jù)，筆者結(jié)合單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，運(yùn)用六軸陀螺儀模塊和VISA串口等相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行對(duì)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與顯示，并在LabVIEW2018軟件上搭建信息采集的前面板與子程序，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行姿態(tài)的讀取與仿真，經(jīng)過(guò)測(cè)試，仿真效果與實(shí)際符合良好，可滿(mǎn)足基本的飛行控制要求。

1軟硬件的設(shè)計(jì)思路

1.1 位姿數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

利用MPU6050實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器俯仰角、航向角、翻滾角以及各個(gè)方向上角加速度的測(cè)量。陀螺儀可測(cè)范圍為±250，±500，±1000°/秒（dps），加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2，±4，±8。可根據(jù)不同需求設(shè)定不同的精度。和其他設(shè)備寄存器之間的通信采用400kHz的I2C接口或1MHz的SPI接口（SPI僅MPU-6000可用）。對(duì)于需要高速傳輸?shù)膽?yīng)用，對(duì)寄存器的讀取和中斷可用20MHz的SPI。另外，片上還內(nèi)嵌了一個(gè)溫度傳感器和在工作環(huán)境下僅有±1%變動(dòng)的振蕩器。

1.2軟硬件通信設(shè)計(jì)

LabVIEW是由美國(guó)NI公司推出的一種圖形化的編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境，它廣泛的被工業(yè)界，學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，相較于C++或匯編語(yǔ)言而言由于其圖形化編程方式具有簡(jiǎn)單易學(xué)，直觀方便，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。

運(yùn)用STM32F103芯片構(gòu)成的單片機(jī)對(duì)MPU6050進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信與PC建立連接。單片機(jī)和PC的通信，是通過(guò)單片機(jī)串口和PC串口之間的硬件連接實(shí)現(xiàn)的。在本設(shè)計(jì)中，上、下位機(jī)分工明確，作為下位機(jī)核心器件的單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和通信，而上位機(jī)主要負(fù)責(zé)將單片機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及處理，在本設(shè)計(jì)中表現(xiàn)為對(duì)飛行姿態(tài)的仿真。為便于數(shù)據(jù)分析以及處理，還需要數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，這種應(yīng)用的核心是數(shù)據(jù)通信，其包括單片機(jī)和上位機(jī)之間、客戶(hù)端和服務(wù)器之間，以及客戶(hù)端和客戶(hù)端之間的通信，而單片機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信則是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

單片機(jī)與PC之間的通信主要采取并行通信，其優(yōu)點(diǎn)為傳輸速度快，誤差不累計(jì)、信號(hào)之間不會(huì)互相影響以及可根據(jù)需求設(shè)定信號(hào)傳輸頻率，具有較高的自由度，為PC端讀取提供了便利。

本設(shè)計(jì)的硬件連接采用3線制為了方便信號(hào)的驗(yàn)證，我在本設(shè)計(jì)中添加了TFTLCD顯示屏，以便于和上傳到PC端的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差檢驗(yàn)。

在保證單片機(jī)能夠順利通信之后，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)。

2.1 LabVIEW前面板設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)需要有飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)、飛行狀態(tài)的3D仿真，并能夠根據(jù)飛行姿態(tài)的數(shù)據(jù)不斷展示飛行狀態(tài)，采集頻率的快慢能夠更改，儲(chǔ)存的位置與形式可以選擇，并使串口通信所發(fā)送的數(shù)據(jù)參數(shù)與單片機(jī)開(kāi)發(fā)版（主要包括波特率、奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位數(shù)等）保持一致。運(yùn)用labview前面板的功能對(duì)這些功能進(jìn)行布局，設(shè)計(jì)其主界面。

其具有的功能顯示信號(hào)的傳輸形式并能對(duì)格式進(jìn)行更改來(lái)確保與單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)形式一致，飛行位姿的數(shù)據(jù)、以及3D顯示窗口等，并可向單片機(jī)發(fā)送目標(biāo)飛行姿態(tài)，配合電機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行狀態(tài)的控制。

運(yùn)行l(wèi)abview之前，將單片機(jī)的串口參數(shù)設(shè)置正確，并選擇信號(hào)的格式。點(diǎn)擊開(kāi)始按鍵，單片機(jī)就發(fā)送收集來(lái)的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)，PC端根據(jù)設(shè)定的波特率結(jié)合角度變化量算出角加速度，以上過(guò)程處理完畢后，LabVIEW界面上可以看到無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)。

2.2 LabVIEW子程序設(shè)計(jì)

建立主界面顯示，需要建立連接單片機(jī)與仿真圖形的框架，為此通過(guò)對(duì)LabVIEW相關(guān)VISA功能的引用使之能夠接受串口發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)VISA打開(kāi)功能使串口打開(kāi)，之后用VISA配置串口對(duì)串口的波特率，奇偶校驗(yàn)位，位數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，為接收數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備，通過(guò)VISA讀取對(duì)串口發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，具體程序框圖如圖1所示：

首先，串口傳輸設(shè)定一個(gè)固定的參數(shù)，通過(guò)串口傳輸?shù)絣abview前面板上顯示。程序開(kāi)始運(yùn)行后，如果滿(mǎn)足通訊協(xié)議，就進(jìn)入數(shù)據(jù)的讀取階段，執(zhí)行接下來(lái)的數(shù)據(jù)處理。之后進(jìn)入while循環(huán)，在循序結(jié)構(gòu)圖中，不斷接收單片機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，并將發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)作為全局變量。為接下來(lái)的數(shù)據(jù)分析以及仿真做準(zhǔn)備。全局變量提取完畢后進(jìn)入仿真階段，在仿真階段中可以對(duì)單片機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行由字符串到數(shù)字的轉(zhuǎn)化，根據(jù)處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，通過(guò)繪制3D圖形并根據(jù)位姿數(shù)據(jù)便可繪制出飛行器的飛行姿態(tài)。后面板設(shè)計(jì)如圖2所示。

3 結(jié)語(yǔ)

文章所闡述的飛行姿態(tài)仿真設(shè)計(jì)充分利用VISA相關(guān)功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，方法簡(jiǎn)單而且通用性強(qiáng)，對(duì)無(wú)人機(jī)飛控的門(mén)檻降低了一個(gè)層次，誠(chéng)然，本設(shè)計(jì)在精準(zhǔn)度方面無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，但是功能齊全，是一種在低成本下研究飛控的方法。

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