基于MSP430的四旋翼飛行器的控制系統設計

摘要：小型四旋翼飛行器的研究近年來在國際上日趨成熟，并為自動控制，先進傳感技術以及計算機科學等諸多技術領域的融合研究提供了一個平臺，為了改變國內傳統四旋翼飛行器飛行時間短，采用低能耗msp430單片機為主控，本文詳細介紹了硬件設計"飛行控制主程序"電機調速"和控制算法.提出遙控自主控制型無人駕駛直升機控制仿真綜合飛行控制系統設計概念，基于無人直升機自身的控制仿真綜合飛控系統可進行工程閉環飛行仿真，不論在研制階段或使用階段都可對無人直升機系統的飛行性能、飛控系統硬軟件特性及可靠性、任務飛行參數預設置等進行深入的驗證，地面飛控人員也可以在真實的系統上進行逼真的訓練.此外控制仿真綜合飛控系統能通過飛行實踐不斷完善系統性能和在線檢測系統異常，提高飛行安全性.提出2種控制仿真綜合飛行控制系統的總體結構，其中之一已應用于某型無人直升機上

關鍵詞"四旋翼飛行器;飛行控制器;自適應控制

1硬件設計

飛行器硬件部分主要包括控制器模塊、傳感測量模塊、電機驅動模塊、通訊模塊、電源模塊和機體平臺，系統硬件組成結構圖如下。

1.1飛行控制主程序

主程序的主要功能是采集各傳感器信號，處理得到飛行器的位置和姿態數據，運行控制算法輸出"電機速度控制信號，完成飛行器閉環控制。主程序結構圖如圖6所示，由主程序等待中斷和兩個優先級不同的中斷服務程序構成。主程序開始為初始化DSP系統設置，初始化SCI、SPI、I2C、PWM等各模塊設置，然后進入等待中斷循環。SCI通訊中斷優先級較低，主要是接受主機的指令，并采集位置信息，完成外環控制器計算，輸出內環控制的設定值。姿態控制中斷是一個優先級較髙的定時中斷，設定控制周期為5ms，在此控制周期中需要完成飛行器姿態信息采集和處理，根據外環控制輸出的設定值計算四個電機的轉速設定值，并把此設定值以脈寬方波的形式輸出給電機調速模塊。

1.2電機調速

在無刷直流電機驅動模塊上，單片機MSP430中運行的調速主程序結構如圖7所示。首先是外設模塊初始化，然后接收到主控制器發出的起動指令后，調用外同步變頻起動程序采用三段式起動方法使電機起動升速，直至電機速度反電勢信號清晰可用，由外同步向內同步調速運行切換，實現電機的閉調速，調速算法采用常用增量式"PID算法。

2"PD控制器比例-微分控制的簡稱。在閉環控制系統中，PD調節器的控制作用是使系統穩定的前提下，偏差最小。在連續系統中，PD控制器輸入輸出都是時間的函數，將其離散化后的運算關系為

""""""""""（1）

式中：為對控制量的調節;為比例調節的系數;為微分調節的系數;為控制量的目標狀態;為調節量在第n個采樣周期的實際狀態。

本系統利用PD算法分別計算出飛行器的自轉調節量、左右傾斜調節量、油門控制調節量、前后俯仰調節量。飛行器姿態向量為

結束語""本研究給出了基于msp430處理器的四旋翼飛行器的軟"硬設計方法"改變了傳統單片機為主控"飛行時間短的弱項""并以采用pd的控制算法"實現了飛行器的平穩飛行.利用msp430的優越性能，使設計的四旋翼飛行器具有體積小，重量輕，功耗低的特點，經過多次室內試驗，該硬件性能穩定，能滿足飛行器起飛"懸停降落等飛行模態的控制要求

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