基于MSP430單片機(jī)的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

湯金萍，周 雷，金阿鎖

(南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

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基于MSP430單片機(jī)的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

湯金萍，周 雷，金阿鎖

(南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

四旋翼飛行器是由4個(gè)帶槳葉電機(jī)驅(qū)動(dòng)并形成十字交叉結(jié)構(gòu)的一種飛行器。本試驗(yàn)是以MSP430F149單片機(jī)為主控芯片，搭建四旋翼飛行器控制系統(tǒng)。以MPU-6050傳感器獲取飛行器的姿態(tài)信息，經(jīng)過(guò)遞推濾波算法，得到可靠的姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)四元數(shù)融合算法，進(jìn)行姿態(tài)解算，獲得四旋翼飛行器的姿態(tài)角，然后借助PID控制算法，消除四旋翼飛行器在飛行過(guò)程中不可預(yù)測(cè)的誤差，最后，以PWM波的形式控制無(wú)刷直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的自平穩(wěn)控制。本試驗(yàn)完成了四旋翼飛行器的自平穩(wěn)控制系統(tǒng)，能夠基本實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的平穩(wěn)起飛與降落。

MSP430；MPU-6050；歐拉角；四旋翼飛行器；閉環(huán)控制

0 引言

四旋翼飛行器是多旋翼飛行器中最常見(jiàn)、最簡(jiǎn)單的一種。2010年世界首款四旋翼飛行器AR.Drone問(wèn)世，它由法國(guó)Parrot公司發(fā)布。它的定位是一款高科技玩具，性能非常優(yōu)秀，輕便，很安全，容易控制，而且還能實(shí)現(xiàn)自懸停，拍攝圖像，并通過(guò)WiFi傳輸?shù)绞謾C(jī)上顯示。

DJI是眾多四旋翼飛行器公司中值得一提的公司之一。在早些年，DJI主要工作放在直升機(jī)的控制上，在AR.Drone問(wèn)世后，DJI看到了四旋翼飛行器的市場(chǎng)，開(kāi)始研究四旋翼飛行器產(chǎn)品。2012年，DJI相繼推出了幾款飛行器產(chǎn)品。在當(dāng)時(shí)AR.Drone的引領(lǐng)下，全球刮起了一股四旋翼飛行器商業(yè)化的熱潮。

2013年1月，DJI推出Phantom，如圖1所示。四旋翼飛行器被開(kāi)發(fā)用作一個(gè)新領(lǐng)域——航拍。“Phantom”的中文意思是精靈，與它的外形很相配。隨著Phantom的推出，四旋翼飛行器的市場(chǎng)也開(kāi)始發(fā)生變化。Phantom很容易操作，沒(méi)有操控經(jīng)驗(yàn)的新手也可很快學(xué)會(huì)操作。與AR.Drone相比，Phantom的尺寸更大一些，在戶外飛行時(shí)，抗風(fēng)干擾的能力更強(qiáng)，Phantom還有GPS導(dǎo)航功能，可以飛行的范圍很大。Phantom最大的特點(diǎn)，就是可搭載攝像機(jī)。Phantom可通過(guò)連接架掛載GoPro運(yùn)動(dòng)相機(jī)，拍攝極限運(yùn)動(dòng)。Phantom可以從不一樣的視角拍攝，而且，與傳統(tǒng)的飛機(jī)航拍不同，它小巧、靈活，可以讓拍攝者自由控制角度。Phantom+GoPro拍攝模式的出現(xiàn)，讓四旋翼飛行器更有生機(jī)。說(shuō)多旋翼飛行器重新定義了航拍，一點(diǎn)都不為過(guò)。

從現(xiàn)在的四旋翼飛行器市場(chǎng)來(lái)看，一部分是以AR.Drone為代表的玩具市場(chǎng)，另一部分就是以DJI Phantom、DJI S1000為代表的航拍飛行器市場(chǎng)[1]。著名的快遞公司順豐就進(jìn)行了多旋翼飛行器送快遞的實(shí)驗(yàn)。在一些人類活動(dòng)困難的地點(diǎn)，如火山口、沼澤地等，將多旋翼飛行器用于地質(zhì)勘測(cè)的情況也越來(lái)越多。軍事方面，多旋翼飛行器可以用于無(wú)人機(jī)偵察等。另外，多旋翼飛行器還可以用作森林防火監(jiān)控、高速公路車輛監(jiān)控、公共領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控等。

1 總體方案

1.1 四旋翼飛行器基本結(jié)構(gòu)

四旋翼飛行器是由4個(gè)帶槳葉電機(jī)驅(qū)動(dòng)并形成十字交叉結(jié)構(gòu)的一種飛行器，本試驗(yàn)的四旋翼飛行器采用十字飛行方式，電機(jī)1為正前方，由此確定前后、左右。4個(gè)電機(jī)分別安裝在十字結(jié)構(gòu)的4個(gè)頂點(diǎn)，由此形成的四個(gè)旋翼結(jié)構(gòu)相同，兩兩對(duì)稱[2]。飛行控制器和電池被安裝在中間交叉點(diǎn)位置。四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式

1.2 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析

四旋翼飛行器由四個(gè)旋翼共同提供升力，通過(guò)改變4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)4個(gè)旋翼的升力，由此控制飛行器的姿態(tài)和飛行方向。四旋翼飛行器一共有6個(gè)自由度，4個(gè)力輸入，6個(gè)狀態(tài)輸出，因此它是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]。

四旋翼飛行器常見(jiàn)的飛行方式有2種[4]:X飛行方式與十字飛行方式，其中兩個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，以抵消自旋轉(zhuǎn)力。本試驗(yàn)采用的是十字飛行方式，電機(jī)2、4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)1、3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

規(guī)定電機(jī)1的方向即為正前方向，也是x軸方向；電機(jī)2為左方向，即y軸方向；電機(jī)3為右方向；電機(jī)4為后方向；z軸方向與x、y垂直向上。四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)可分為6種：垂直運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)、傾向運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 四旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

圖4 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件框架

四旋翼飛行器硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，以MSP430F149單片機(jī)為主控芯片，作為飛控板，采用MPU-6050獲取飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)，并通過(guò)PWM波控制電子調(diào)速器，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。用Nokia5110顯示屏顯示飛行器內(nèi)部數(shù)據(jù)，便于調(diào)試。

2.2 電源

對(duì)于四旋翼飛行器，電源的質(zhì)量會(huì)很大程度地影響它的飛行。本試驗(yàn)所使用的是新西達(dá)2212 KV2200電機(jī)，搭配5043號(hào)槳葉，當(dāng)單電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)，實(shí)測(cè)電流可達(dá)到21.1 A。所以當(dāng)飛行器滿載運(yùn)行時(shí)，總電流將達(dá)到80 A以上。同時(shí)，考慮到四旋翼飛行器的搭載能力，電源的質(zhì)量非常重要。本試驗(yàn)選用獅子 3S11.1V2 200 mAh 電池搭配電子調(diào)速器作為電源。

2.3 角度傳感器模塊

圖5 MPU-6050檢測(cè)軸與方向

MPU-6050是全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器，由InvenSense公司推出。MPU-6050整合了3軸加速度傳感器和3軸角速度傳感器，其檢測(cè)軸與方向如圖5所示。

3軸加速度傳感器的精度可編程選擇，范圍為：±2 g、±4 g、±8 g和±16 g[5]。

3軸角速度傳感器精度范圍：±250、±500、±1 000°/s與±2 000°/s。

2.4 電機(jī)與電子調(diào)速模塊

2.4.1 選用電子調(diào)速器控制無(wú)刷直流電機(jī)

選用電機(jī)與電子調(diào)速器控制無(wú)刷直流電機(jī)。可用在四旋翼飛行器上的直流電機(jī)有無(wú)刷電機(jī)和有刷電機(jī)兩種。無(wú)刷電機(jī)在運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生火花，減小了對(duì)遙控器無(wú)線信號(hào)的干擾，同時(shí)相對(duì)于有刷電機(jī)更安靜、運(yùn)行更順暢，且結(jié)構(gòu)可靠，基本不需要維護(hù)。所以電子調(diào)速器控制無(wú)刷電機(jī)更適合用作四旋翼飛行器。

2.4.2 新西達(dá)2212KV2200電機(jī)

新西達(dá)2212KV2200電機(jī)的內(nèi)部共7對(duì)極，12個(gè)繞組。

新西達(dá)2212KV2200電機(jī)的6種通電情況下，電機(jī)是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即內(nèi)部有線圈的部分為定子，有7對(duì)極的外殼為轉(zhuǎn)子。

2.5 飛控(MSP430F149)

MSP430是TI公司生產(chǎn)的低功耗系列單片機(jī)。采用16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)(RSIC)[6]，其特點(diǎn)是：超低功耗；處理能力強(qiáng)；豐富的片內(nèi)外設(shè)；系統(tǒng)工作穩(wěn)定；開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)單、方便。

3 軟件與控制算法

飛控程序是實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。由定時(shí)器A產(chǎn)生20 ms中斷，每次中斷發(fā)生，MSP430F149通過(guò)I2C采集一次MPU-6050的數(shù)據(jù)，獲取原始姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)遞推濾波、四元數(shù)融合算法，得到姿態(tài)角，再根據(jù)需要的飛行姿態(tài)，并通過(guò)PID算法，計(jì)算得到電機(jī)的控制量，最后經(jīng)過(guò)PWM的方式控制電機(jī)轉(zhuǎn)速[7]。在下一次中斷發(fā)生時(shí)，飛行器的姿態(tài)信息通過(guò)MPU-6050更新到單片機(jī)，以此循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器的自平穩(wěn)控制系統(tǒng)。

程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試及實(shí)現(xiàn)成果

4.1 姿態(tài)解算測(cè)試

在姿態(tài)解算測(cè)試時(shí)，使用Nokia5110顯示屏，通過(guò)更改程序，可分別顯示傳感器原始數(shù)據(jù)、遞推濾波后數(shù)據(jù)、四元數(shù)算法融合后數(shù)據(jù)、PWM波占空比數(shù)據(jù)。這樣可以讓用戶直觀方便地了解到數(shù)據(jù)處理結(jié)果，便于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行調(diào)試，如圖7所示。

圖7 顯示數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在小幅度擺動(dòng)飛行器時(shí)，屏幕顯示的姿態(tài)角信息(姿態(tài)角)無(wú)誤。

4.2 PID參數(shù)測(cè)試

PID控制的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以消除不可預(yù)測(cè)的誤差，而PID參數(shù)是一組經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，需要根據(jù)實(shí)際的控制系統(tǒng)測(cè)試，選擇合適的PID參數(shù)。對(duì)于四旋翼飛行器，PID調(diào)試方法如下：

(1)四旋翼飛行器采用十字飛行方式，俯仰角由電機(jī)1、3控制，滾轉(zhuǎn)角由電機(jī)2、4控制。

(2)在調(diào)節(jié)俯仰時(shí)，先設(shè)置I、D為0(這里以P、I、D分別代表比例參數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù))，只改變P的量，由小到大依次變化。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，或收斂振蕩時(shí)，此時(shí)的P值就是所需要的數(shù)據(jù)。

(3)比例環(huán)節(jié)是PID調(diào)節(jié)中最難調(diào)節(jié)的一個(gè)，只要確定了P值，積分和微分環(huán)節(jié)就比較容易實(shí)現(xiàn)。

(4)微分系數(shù)D也是影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)的一個(gè)重要參數(shù)。微分環(huán)節(jié)的作用就是減緩誤差的變換速度。在四旋翼飛行器中，就是讓旋翼的擺動(dòng)速度不能過(guò)快。在步驟(2)中，四旋翼飛行器已經(jīng)出現(xiàn)等幅振蕩，在等幅振蕩的過(guò)程中，兩個(gè)極值處的振蕩速度最慢，在中間理想位置處，振蕩速度最快。加入了微分環(huán)節(jié)D之后，在振蕩速度最快的中間理想位置，微分環(huán)節(jié)作用最大，從而抑制了系統(tǒng)的過(guò)調(diào)，只要選擇合適的D值，四旋翼飛行器就會(huì)快速、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)到理想位置，而且不會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)。

PID參數(shù)的設(shè)定受到系統(tǒng)實(shí)際情況的影響，在不同的四旋翼飛行器之間也有所不同，所以PID參數(shù)需要實(shí)際的測(cè)試才能夠確定。PID參數(shù)的測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

表1 俯仰角

表2 滾轉(zhuǎn)角

5 結(jié)論

本試驗(yàn)對(duì)四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，完成了四旋翼飛行器的自平穩(wěn)控制系統(tǒng)，能夠基本實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的平穩(wěn)起飛與降落。本文介紹四旋翼飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展歷程，列舉了四旋翼飛行器研究的部分技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)進(jìn)行了分析，并介紹了四旋翼飛行器軟、硬件的實(shí)現(xiàn)。

[1] DAS A, SUBBARAO K, LEWIS F. Dynamic inversion with zero-dynamics stabilization for quad-rotor control[J]. IET Control Theory and Applications, 2009, 3(3): 303-314.

[2] MIAN A A,Wang Daobo. Modeling and back stepping-based nonlinear control strategy for a 6 DOF quad-rotor helico-pter[J]. Chinese Journal of Aeronautics,2008(21):261-268.

[3] 侯永鋒,陸連山,高尚德,等. 基于PD算法的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2012,31(3):359-362.

[4] 王璐. 欠驅(qū)動(dòng)四旋翼無(wú)人飛行器的滑模控制[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2012,33(10):1-6.

[5] 陳衛(wèi),楊忠,夏玉亮,等. MEMS加速度傳感器在微型特種機(jī)器人中的應(yīng)用[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2009,28(7):110-113.

[6] 楊平,王威. MSP430系列超低功耗單片機(jī)及應(yīng)用[J]. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2008，27(12):48-50.

[7] 黎泉,蘇家強(qiáng),李曉冉. 直流電機(jī)同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 河池學(xué)院學(xué)報(bào), 2010，30(5):46-51.

Design of quad-rotor aircraft control system based on MSP430 MCU

Tang Jinping, Zhou Lei, Jin Asuo

(School of Electrical Engineering, Nantong University, Nantong 226019,China)

Quad-rotor aircraft is drived by four motors with blades and forms a cross structure. This experiment takes MSP430F149 as the main chip, and builds a quad-rotor aircraft control system. The MPU-6050 sensor is used to get attitude information of the quad-rotor aircraft. Processing raw data is obtained by recursive filtering algorithm and the reliable attitude angle is got by quaternion algorithm. Then by means of PID control algorithm, the unpredictable error of quad-rotor aircraft in flight is eliminated. Finally, quad-rotor aircraft is controlled smoothly by PWM to control four brushless DC motors. The experiment designs a quad-rotor aircraft control system, and achieves a smooth tack-off and landing.

MSP430; MPU-6050; Euler angle; quad-rotor; closed-loop control

南通大學(xué)研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(YKC14022)

TP29

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.002

湯金萍，周雷，金阿鎖. 基于MSP430單片機(jī)的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(20)：9-12.

2016-05-19)

湯金萍(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向：智能控制、模式識(shí)別。

周雷(1992-)，男，學(xué)士，主要研究方向：機(jī)器人及控制。

金阿鎖(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)器人及控制。