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1、引言 四軸飛行器是一種結構緊湊、飛行方式獨特的垂直起降式飛行器，與普通的飛行器相比具有結構簡單，故障率低和單位體積能夠產生更大升力等優點，在軍事和民用多個領域都有廣闊的應用前景，非常適合在狹小空間內執行任務。因此四旋翼飛行器具有廣闊的應用前景，吸引了眾多科研人員，成為國內外新的研究熱點。 本設計主要通過利用慣性測量單元（IMU）姿態獲取技術、PID電機控制算法、2.4G無線遙控通信技術和高速空心杯直流電機驅動技術來實現簡易的四軸方案。整個系統的設計包括飛控部分和遙控部分，飛控部分采用機架和控制核心部分一體設計增加系統穩定性，遙控部分采用模擬搖桿操作輸入使操作體驗極佳，兩部分之間的通信采用2.4G無線模塊保證數據穩定傳輸。飛行控制板采用高速單片機STM32作為處理器，采用含有三軸陀螺儀、三軸加速度計的運動傳感器MPU6050作為慣性測量單元，通過2.4G無線模塊和遙控板進行通信，最終根據PID控制算法通過PWM方式驅動空心杯電機來達到遙控目標。 2、系統總體設計 系統硬件的設計主要分要遙控板和飛控板兩個部分，遙控板采用常見羊角把游戲手柄的外形設計，控制輸入采用四向搖桿，無線數據傳輸采用2.4G無線模塊。飛控板采用控制處理核心和機架一體的設計即處理器和電機都集成在同一個電路板上，采用常規尺寸能夠采用普通玩具的配件。系統軟件的設計同樣包括遙控板和飛控板兩部分的工作，遙控板軟件的設計主要包括ADC的采集和數據的無線發送。飛控板的軟件的設計主要包括無線數據的接收，自身姿態的實時結算，電機PID增量的計算和電機的驅動。整個四軸飛行器系統包括人員操作遙控端和飛行器控制端，遙控端主控制器STM32通過ADC外設對搖桿數據進行采集，把采集到的數據通過2.4G無線通信模塊發送至飛控端。飛控板的主要工作就是通過無線模塊進行控制信號的接收，并且利用慣性測量單元獲得實時系統加速度和角速度原始數據，并且最終解算出當前的系統姿態，然后根據遙控板發送的目標姿態和當姿態差計算出PID電機增量，然后通過PWM驅動電機進行系統調整來實現飛行器的穩定飛行。系統的總體設計框圖如圖1所示。 圖1 系統總體設計框圖 2、四軸飛行器的硬件設計 2.1主控單元選擇 從成本和性能綜合考慮，飛控板和遙控板的主控單元都采用意法半導體公司的增強型高速單片機STM32F103作為主控的，STM32F103是基于的ARM 32位的Cortex-M3內核架構，穩定工作頻率可達72MHz，是一個具有豐富資源、高速時鐘的精簡指令的微處理器。STM32F103擁有從64K或128K字節的閃存程序可選存儲器，高達20K字節的SRAM，2個12位模數轉換器多達16個輸入通道，7通道DMA控制器，多達80個快速I/O端口，串行單線調試（SWD）和JTAG接口調試模式，多達7個定時器，多達2個I2C接口（支持SMBus/PMBus），多達3個USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調制解調控制），多達2個SPI接口（18M位/秒），CAN接口（2.0B主動），USB2.0全速接口。主控單元原理圖如圖2所示。 圖2 主控單元原理圖 2.2 飛控板電路設計 飛控板的核心設計是MPU6050測量傳感器、NRF2401無線模塊以及飛控板電機驅動等模塊的設計。飛控系統的慣性測量單元采用MPU6050作為測量傳感器，MPU6050的驅動方式采用IIC接口，時鐘引腳SCL連接到STM32的PB10，數據引腳連接到STM32的PB11引腳，數據中斷引腳連接到PB5，為了增強驅動能力在每個引腳上都加入了10K的上拉電阻，原理圖的設計如圖3所示。 圖3 飛控板慣性測量單元原理圖 相對于其他模塊電系統也是比較重要的部分，飛控系統采用3.7V高放電倍率鋰電池進行供電。主控芯片供電部分和IMU傳感器部分采用各自獨立的LDO進行供電，這樣確保了系統的穩定性和IMU傳感器數據采集的準確性，穩壓直流電源模塊的原理圖設計如圖4所示。 圖4 飛控板電源穩壓原理圖 飛控板與遙控板數據的通信同樣采用的是基于2.4G頻段的NRF2401模塊，確保了數據的穩定傳輸。STM32的SPI1外設對2.4G模塊進行操作驅動，引腳的連接如下表1所示。 NRF2.4G為采用3.3V供電無線模塊，系統采用與單片機相同的電源網絡對其供電，同時加入0.1UF電容進行濾波確保模塊正常工作，無線模塊的具體原理圖連接如圖5所示。 圖5 飛控板無線模塊原理圖 飛控板的驅動系統采用的是四個分布對稱十字交叉的高速空心杯電機，電機的驅動開關部分采用N溝道增強型場效應晶體管進行控制，通過修改STM32對應引腳上的PWM信號來進行開關MOS管實現電機運行開與關，從而實現電機運轉速度的調節。電機1、2、3、4分別采用STM32的定時器2的通道0、通道1、通道2和通道3的PWM進行控制。電機1的控制端連接PA0，電機2的控制端采用PA1，電機2的控制端采用PA2，電機3的控制端采用PA3控制，電機的驅動原理圖如圖6所示。 圖6 飛控板電機驅動原理圖 2.3遙控板電路設計 遙控板主控單元通過SPI總線驅動2.4G無線模塊，通過8位并口驅動1602液晶顯示，通過ADC輸入引腳對搖桿和電池電量進行采集，通過引腳驅動三極管開關驅動蜂鳴器提示。遙控板的核心設計是搖桿模擬數據進行采集模塊、NRF2401無線模塊等設計。 采用STM32單片機ADC1的通道4、通道5、通道6和通道7進行搖桿模擬數據進行采集并轉換為數字量，分別連接到PA4、PA5、PA6和PA7引腳，并且加入濾波電容減少雜質信號的影響。遙控板搖桿輸入原理圖設計如圖7所示。 圖7 遙控板搖桿輸入原理圖設計 遙控板采用NRF2.4G模塊的驅動采用STM32的自帶外設SPI2進行驅動，各個功能引腳的連接如表2所示。 NRF2.4G模塊采用3.3V供電，在供電端口外加0.1UF濾波存儲電容確保無線系統的穩定性，的具體原理圖連接8所示。 圖8 遙控板無線模塊原理圖 3、四軸飛行器的軟件設計 四軸飛行器的軟件設計主要包括飛控板軟件的設計和遙控板軟件的設計。整體軟件在MDK環境下采用C語言編寫，采用ST-LINK仿真器對程序進行調試與下載。 3.1飛控板系統軟件設計 飛控程序的主要設計思想是開機對無線模塊的初始化、MPU6050的初始化、PWM電機初始化。隨后對整個系統IMU繼續零偏處理，隨后等待進入解鎖信息的傳入。飛控采用定時器中斷的方式，在中斷中進行對時間的處理，每次中斷計次標志就會自增，根據不同的中斷積累即不同時間的間隔分別處理優先級不同的任務。飛控系統程序設計流程圖如圖9所示。 圖9 飛控系統程序設計流程圖 飛控系統每0.5毫秒中斷一次，每次中斷就會檢查一次無線模塊數據的接收，確保飛控系統的控制信息的實時性。每兩次中斷即1毫秒讀取一次IMU單元的數據，通過濾波算法獲得較為準確的系統加速度、角速度的原始數據。每四次中斷即2毫秒通過IMU的原始數據計算下當前飛控板系統的姿態，然后結合遙控端的目標姿態，根據兩者的差值通過PID控制算法進行對各個電機的調速控制。每200次中斷即100毫秒，飛控系統會采集一次電池電壓，然后把電池電壓發送給遙控板，用來高速操作人員當前電壓的大小。 MPU6050作為系統的慣性測量單元，是整個系統正常運行基礎。MPU6050的驅動總線為IIC方式，為了程序的方便性本系統選用PB10和PB11模擬IIC來驅動。IMU讀取出來的數據只是最簡單的加速度、陀螺儀角速度的原始數據，需要通過進一步的處理才能得到本系統想要的姿態角度。飛控板姿態結算流程圖如圖10所示。 根據處理過后的MPU數據來獲得當前的姿態，具體的姿態獲取理論上是根據各個角度的積分得到當前的系統姿態歐拉角。本系統的設計實現是采用四元數算法對MPU6050最濾波后的數據進行計算得到最終的歐拉角。 整個飛控系統的運行動作是通過調整飛控姿態來實現的，本系統設計在當前姿態的基礎上，根據接收到的遙控器的目標姿態對空心杯電機進行基于PID算法的PWM控制調速，從而實現飛控系統的各種基本運動。飛控板會對系統慣性測量單元傳感器的原始數據進行濾波，然后對濾波后的數據進行實時結算，最后根據遙控板發送來的目標信息進行計算出電機的控制增量，最后根據PID控制算法對電機進行控制輸出，飛控姿態控制流程圖如圖11所示。 圖10 飛控板姿態結算流程圖 圖11 飛控板姿態控制流程圖 3.2遙控板系統軟件設計 遙控板的作用就是把操作人員的操作動作轉化成信號傳給飛行控制板，同時將一些控制信息和飛控板傳回來的信息進行實時的顯示和處理。飛控板搖桿數據的采集用到了STM32的ADC功能STM32F103xx增強型產品內嵌2個12位的模擬/數字轉換器（ADC），每個ADC共用多達16個外部通道，可以實現單次或掃描轉換。而且STM32的ADC可以采用DMA通道，這樣可以進一步的節省硬件資源，加快系統實時性。采用SPI1驅動NRF無線模塊，進行與飛控板的數據通信，遙控板系統軟件流程如圖12所示。 圖12 遙控板軟件流程圖 本系統采用STM32的ADC1的通道4、通道5、通道6和通道7進行搖桿模擬數據進行采集，ADC和DMA的配置代碼如下： ADC_Configuration(); //ADC 功能配置 DMA_Configuration(); //DMA 功能配置 下面是ADC和DMA的啟動和時能代碼如下： ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); //啟動 ADC1 轉換 DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE); //啟動 DMA 通道 采用STM32外設SPI1驅動NRF2.4G模塊，SPI初始化代碼如下： Spi1_Init(); 采用無線模塊的通道40進行通信，2401初始化函數如下： Nrf24l01_Init(MODEL_RX2,40); //通道40 2.4G無線模塊NRF2401的接收函數如下： Nrf_Check_Event(); //讀取NRF2401數據 通過2401將控制信號發送，發送函數如下： NRF_TxPacket_AP(NRF24L01_TXDATA_RC,32); //將控制信號發給四軸 4、結論 本文描述了一個簡易四軸飛行器系統的設計實現，整個方案分為遙控控制板各飛行控制板兩部分，通過2.4G無線模塊進行控制通信，飛控系統采用IMU系統獲取姿態信息根據反饋控制算法進行電機控制從而實現飛行控制。本系統飛控板采用一體設計使得系統簡單、緊湊，遙控板采用搖桿輸入使系統控制體驗良好，最終實現飛行器的基本運動。實踐證明該四軸飛行器飛行穩定、可靠，取得了較好效果。 參考文獻 [1] 李堯. 四旋翼飛行器控制系統設計[D]. 大連:大連理工大學, 2013. [2] 譚浩強. C程序設計教程[M]. 北京:清華大學出版社, 2010. [3] 劉火良. STM32庫開發實戰指南[M]. 北京:機械工業出版社, 2013. [4] 白志剛. 自動調節系統解析與PID整定[M]. 北京:化學工業出版社, 2012. [5] 朱君. 四旋翼無人飛行器控制系統設計及控制方法研究[D]. 內蒙古:內蒙古科技大學, 2012. [6] 曾勇. 四旋翼飛行器容錯控制系統設計與實現[D]. 成都:電子科技大學, 2013. [7] 宋佳佳. 小型四旋翼飛行器實驗平臺設計[D]. 武漢:華中科技大學, 2013. [8] 劉軍. 例說STM32[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2011. [9] 張瑾等. 電路設計與制板Protel 99SE入門與提高[M]. 北京:人民郵電出版社, 2007. [10] 蒙博宇. STM3自學筆記[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2012. [11] 劉金琨. 先進PID控制MATLAB仿真[M]. 第3版. 北京:電子工業出版社, 2011. [12] 霍罡等. 可編程序控制器模擬量及PID算法應用案例[M]. 北京:高等教育出版社, 2013. |
