多數據融合的四軸飛行器硬件電路設計*

高 明， 張培亮

(西安工業大學 光電工程學院， 陜西 西安 710021)

多數據融合的四軸飛行器硬件電路設計*

高 明， 張培亮

(西安工業大學 光電工程學院， 陜西 西安 710021)

根據四軸飛行器的結構和飛行模式，設計了系統的總體硬件電路結構。硬件電路基于Cortex—M4內核STM32F407系列ARM芯片。設計的外圍電路包括無線通信模塊、視頻采集模塊和GPS接收，發送模塊以及測量飛行姿態的各個傳感器模塊。通過實驗驗證了所設計硬件電路系統的可行性。

四軸飛行器； 全球定位系統定位； 圖像采集； 姿態測量； STM32

0 引 言

鑒于四軸飛行器的自身特點，增加圖像采集模塊，則能實現遠程對災區信息的采集和獲取，大大提高了減災效果，提升了災害現場勘查能力，避免了因重災區域短時難以抵達、交通受阻而無法掌握具體災情的“信息盲區”現象[1～3]。全球定位系統(GPS)定位是無人飛行器實現自主導航和位置獲取的重要環節，可以基于GPS定位信息，并按照一定的評價標準，尋找一條從起始狀態到目標狀態的最優路徑[4]。

四軸飛行器是一個非線性多耦合的欠驅動系統，其控制問題一直以來都是科學研究者比較關注的問題[5,6]。四軸飛行器是一個具有六自由度 ( 位置與姿態 ) 和 4 個控制輸入 ( 旋翼轉速 ) 的欠驅動系統，具有多變量、非線性、強耦合和干擾敏感的特性，使得飛行控制系統的設計變得非常困難[7]。為此，本文對采集的姿態傳感器數據進行融合，采用卡爾曼濾波算法來融合加速度和陀螺儀的數據，同時對圖像信息和GPS信息也進行處理。對于位姿解算，本文采用四元數法并結合方向余弦矩陣完成姿態解算，并以解算的姿態角作為反饋完成四軸飛行器的飛行控制。

1 原理分析

飛行器通過平衡2個螺旋槳產生的力來實現穩定的盤旋以及精確飛行[8,9]。飛行器的輸入轉矩由無刷電機提供，通過調節各個帶槳電機的轉速，可以改變飛行器升力和推力的大小，實現飛行姿態與航向的控制。

四軸飛行器輸入4個電機的轉速，輸出卻是 6 個自由度方向的運動，故而屬于欠驅動系統，具有高度耦合的動態特性，其直觀地體現在飛行器一個螺旋槳轉速發生改變的情況下，將產生至少 3 個自由度方向上的運動?？刂齐姍C轉速的精度對四軸飛行器的穩定飛行具有重要的意義。

2 硬件總體結構設計

硬件總體結構圖如圖1。微處理器模塊選用ARM Cortex-M4內核的STM32F407ZGT6，它的時鐘頻率可以達到168 MHz，并且擁有I2C總線接口、JTAG接口、SPI接口、AD采集接口、多路PWM輸出和多個串口，且該芯片集成FPU和DSP指令，便于多樣化傳感器的掛接和復雜運算。此微控制器具有14個定時器，對于信號采集和PWM輸出均能滿足。

圖1 硬件總體結構圖

2.1 電源模塊設計

四軸飛行器要求整體設計質量較輕，體積較小，因此在電池的選取方面，采用體積小、質量輕、容易大的鋰電池供電最合適。本電路采用AMS1117—3.3核心芯片和電調提供5 V電源部分。將11.4 V電池電源經過電調后降到5 V后再輸入AMS1117—3.3穩壓為3.3 V，為STM32F407和無線通信模塊供電。

2.2 姿態測量模塊設計

四軸飛行器受電機振動和外界干擾影響較大，精確數學模型建立較難，且其載重有限，一般以慣性器件作為姿態測量裝置，姿態測量部件是整個硬件系統的重要部分。本設計綜合考慮硬件設計原則，采用MPU—6050模塊作為飛行器的姿態傳感器。MPU—6050通過I2C協議接口進行通信，只需要將MPU—6050的SDA數據線和SCL時鐘線與STM32通用I/O口相連接。

2.3 無線通信模塊設計

系統在GPS方位信息回傳和圖像采集兩方面需要無線通信，并且在上位機和飛控端需要數據傳輸。結合通信距離、成本等因素，本設計選用NRF24L01無線模塊器件。其發射電路可以通過LC振蕩電路構成。為了便于維修，利用接口將無線模塊獨立出來。

2.4 圖像采集模塊設計

圖像采集模塊采用的攝像頭OV2640 是 OV(OmniVision)公司生產的1/4 in(1in=2.54cm)的 CMOS UXGA(1 632×1 232)圖像傳感器。該傳感器體積小、工作電壓低，支持SCCB接口，并兼容I2C接口。通過 SCCB 總線控制，可以輸出整幀、子采樣、縮放和取窗口等方式的各種分辨率 8/10 位影像數據。

2.5 高度測量模塊設計

高度測量模塊采用的MS5611—01BA氣壓傳感器是由MEAS(瑞士)推出的SPI和I2C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達到10 cm。該傳感器模塊包括一個高線性度的壓力傳感器和 一個超低功耗的24位Σ模/數轉換器(工廠校準系數)。MS5611提供了一個精確的24位數字壓力值和溫度值以及不同的操作模式，可以提高轉換速度并優化電流消耗。高分辨率的溫度輸出無須額外傳感器可實現高度計/溫度計功能。MS5611壓力傳感器只有5.0 mm×3.0 mm×1.0 mm的小尺寸可以集成在移動設備中。具體電路圖如圖2所示。

圖2 高度測量電路

2.6 串口電路設計

這是USB串口同STM32F407ZGT6的串口1進行連接的接口，標號RXD和TXD是USB轉串口的2個數據口(對CH340G來說)，而PA9(TXD)和PA10(RXD)則是STM32的串口1的兩個數據口(復用功能下)。將它們連接在一起，即可實現STM32的程序下載以及串口通信。

2.7 數字羅盤電路設計

在本設計中所選用的磁阻傳感器為 Honeywell 公司的 HMC5883L 三軸磁阻式地磁傳感器。它可以同時測量三個軸向的磁場分量，具有軸向高靈敏度以及線性度高的特點；采用無鉛表面封裝技術，帶有 I2C 接口，尺寸為 3.0 mm×3.0 mm×0.9 mm；磁場測量范圍最大能達到±8.1 G，最小分辨率可達到 0.73 mGs/LSB。具體電路如圖3所示。

圖3 數字羅盤電路

3 實驗與測試分析

3.1 慣性測量數據測試

整個飛控系統的姿態解算芯片是采用Cortex—M4內核的STM32F407ZGT6來進行解算，并采用MPU6050作為系統的慣性測量單元，可以輸出角速度和加速度的原始數據，通過卡爾曼濾波進行濾波處理，濾波處理后通過四元數法進行解算，并運用龍哥—庫塔法更新四元數，最后輸出姿態角和其他測量信息。在實驗時隨意的轉動四軸飛行器，然后將解算的各種飛行器姿態信息通過無線模塊回傳到上位機上進行顯示。解算后的信息如圖4所示。

圖4 慣性測量數據解算圖

通過圖4可以看到，隨意的晃動四軸飛行器，通過求解四元數微分方程可以實時地對姿態角和各軸的加速度信息進行解算和顯示。

3.2 圖像采集測試

OV2640攝像頭的圖像輸出格式一般有SXGA(1 280×1 024),XGA(1 024×768),SVGA(800×600),VGA(640×480),CIF(352×288),WQVGA(400×240),QCIF(176×144)等，圖像的輸出主要在控制像素時鐘(PCLK)、幀同步信號(VSYNC)、行參考信號(HREF)、行同步信號(HSYNC)的控制下進行。要實現對圖像的采集，對OV2640進行相關配置，如圖像窗口設置、圖像輸出大小設置等等;按照OV2640讀取數據的時序操作，得到圖像數據。OV2640的圖像數據輸出格式有RGB565和JPEG兩種，本設計中采用JPEG方式，其輸出的數據是壓縮后的JPEG數據。

整個讀取圖像數據的具體操作如下：等待VSYNC為高電平→等待HREF為高電平→等待PCLK的上升沿→讀取JPEG數據→等待HREF為高電平→等待PCLK的上升沿→讀取JPEG數據→等待HREF為高電平…→VSYNC為低電平→完成一幀JPEG數據讀取。對以上循環執行，即可完成圖像的讀取。

當完成OV2640對一幀圖像的讀取后，JPEG數據是存放在預先定義的一個數組中，當該數組中數據滿后，采用ZigBee串口模塊將其發向上位機。上位機采用網上的開源軟件“串口攝像頭軟件”，當接收到一幀數據后就會顯示出來。循環執行上述過程，即可完成圖像的無線采集和顯示。

3.3 GPS數據回傳顯示測試

本設計的GPS采用的BN—280是深圳北天通訊公司研發的高性能、低功耗GPS定位模塊，模塊通過串口與飛控連接，其水平定位精度可達2.0 m左右，測速精度可達0.1 m/s，航向角經度可達0.5°。該模塊一般可輸出GPS和GLONASS兩種數據幀，常用的比如有GPGSV，GNGGA，GNGSA，GNRMC，GNVTG等等。在對GPS原始數據解析時采用目前的NMEA—0183標準協議，當GPS接收機上電后，會自動通過串口或USB口發送NMEA0183格式的數據包，它是一組包含有各種地理位置信息的字符串，它包含了定位時間、緯度、經度、高度、定位所用的衛星數、DOP值、差分狀態和校正時段等，其他的有速度、跟蹤、日期等。數據幀格式一般為

$信息類型，xxx，xxx，xxx，xxx，xxx，xxx，xxx

每行開頭的字符都是‘$’，接著是信息類型，后面是數據，以逗號分隔開。比如鑒于此特征，即可通過判斷幀頭“$信息類型”和分離逗號的方法將接收的數據解析成經緯度、高度等信息。將得到的位置數據通過無線模塊傳回進行解析顯示，顯示的圖片如圖5所示。

圖5 GPS位置信息顯示圖

4 結 論

通過實驗可以看到該硬件系統的姿態測量傳感器可以有效完成對飛行過程姿態數據的解算和處理，圖像采集模塊和GPS模塊也可以有效地完成圖像信息和GPS定位信息的采集和實時回傳。

[1] 江 哲.基于STM32的四旋翼飛行器的設計與實現[D].上海：華東理工大學,2015.

[2] 周新春,昂海松.微型飛行器研究進展與關鍵技術[J].傳感器與微系統,2008,27(6):1-4.

[3] Huang Y B,Thomson S J,Hoffmann W C,et al.Development and prospect of unmanned aerial vehicle technologies for agricultural production management[J].International Journal of Agricultural & Biological Engineering,2013,6(3):1-10.

[4] 付佳賀.小型四軸飛行器自主飛行控制系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學,2015.

[5] Chovancová A,Fico T,Chovanec L’ubo?,et al.Mathematical mo-delling and parameter identification of quadrotor(a survey)[J].Procedia Engineering,2014,96:172-181.

[6] Mahony R,Kumar V,Corke P.Multirotor aerial vehicles:Mode-ling,estimation,and control of quadrotor[J].IEEE Robotics & Automation Magazine,2012,19(3):20-32.

[7] 賈 峰,孫 曼,秦 磊.基于STM32的四旋翼飛行姿態串級控制[J].科學技術與工程,2015,15(6):220-225.

[8] 李運堂,賈宇寧,王鵬峰,等.基于多傳感器的四旋翼飛行器硬件系統設計[J].傳感器與微系統,2015,34(2):119-121.

[9] 周 權,黃向華,朱理化.四旋翼微型飛行平臺姿態穩定控制試驗研究[J].傳感器與微系統,2009,28(5):72-74.

[10] 汪 勤.基于LQR的三自由度飛行器最優控制系統的研究[J].自動化技術與應用，2016，35(8)：33-36.

Design of quadrotor hardware circuit with multi-data fusion*

GAO Ming, ZHANG Pei-liang

(School of Optoelectronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

Hardware circuit structure of the system is designed based on structure and flight mode of Quadrotor.The MCU of hardware circuit is based on Cortex-M4 STM32F4 series of ARM chips.The hardware circuit includes wireless communication module,video capture module and GPS receiving and transmitting module and each sensor modules which measure flight attitude.Feasibility of the designed hardware circuit system is validated by experiments.

quadrotor; GPS positioning; image acquisition; attitude measurement; STM32

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0113—03

2016—12—16

陜西省教育廳重點實驗室科學研究計劃項目(14JS034)

V 275

A

1000—9787(2017)03—0113—03

高 明(1964-)，男，博士，教授，主要從事光學設計理論及技術，光電精密測試技術，光大氣傳輸理論及技術的研究工作。

張培亮,通訊作者，E-mail：ZPL304@163.com。