微型四旋翼飛行控制器設(shè)計(jì)

張權(quán)權(quán)+　王立成+　李浩

【摘 要】利用慣性傳感器MPU6050和STM32微控制器設(shè)計(jì)一種微型四旋翼飛行控制器，采用雙閉環(huán)PID控制飛行器的姿態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】四旋翼飛行器；慣性傳感器；PID控制

0 引言

微型四旋翼飛行器不僅具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，而且能夠在狹小的空間內(nèi)垂直起降、定點(diǎn)懸停，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用前景。

但是，四旋翼飛行器是一個(gè)典型的非線性、強(qiáng)耦合、多變量的欠驅(qū)動系統(tǒng)[1]，并且在飛行過程中容易受到外界的干擾因素影響，使得飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得尤為困難。因此，本文采用STM32處理器為核心控制器，結(jié)合MPU6050陀螺儀加速度計(jì)、2.4G無線通信模塊，設(shè)計(jì)雙閉環(huán)PID控制算法，實(shí)現(xiàn)微型四旋翼飛行器的穩(wěn)定飛行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由主控器模塊、電池組供電模塊、無線通信模塊、動力輸出模塊和傳感器模塊構(gòu)成。操控者通過遙控器向飛行器發(fā)送飛行指令，飛行器的主控芯片STM32F103C8T6接收到飛行指令后，通過IIC總線采集陀螺儀、加速度計(jì)芯片MPU6050以及GPS芯片 的實(shí)時(shí)信息，經(jīng)過濾波算法后進(jìn)行飛行姿態(tài)算解，使用閉環(huán)PI算法計(jì)算四個(gè)電機(jī)的PWM占空比，最終通過控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)飛行器姿態(tài)的控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主控制器

飛行器選用意法半導(dǎo)體（ST）公司的STM32F103C8T6作為主控芯片，該芯片采用Cortex-M3內(nèi)核，主頻最高72MHz，內(nèi)置64KB程序存儲器，20KB數(shù)據(jù)存儲器，3個(gè)通用定時(shí)器，1個(gè)高級定時(shí)器，2個(gè)12位10通道ADC，32個(gè)通用IO口，支持SPI、IIC、UART、USB、CAN等總線接口。滿足飛控系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。

2.2 陀螺儀與加速度計(jì)傳感器模塊

陀螺儀與加速度計(jì)傳感器采用MPU6050，該芯片集成了3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)。陀螺儀可測范圍為±250dps，±500dps，±1000dps，±2000dps；加速度計(jì)可測范圍為±2g，±4g，±8g，±16g。使用IIC總線和主控芯片進(jìn)行通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 飛控算法設(shè)計(jì)

整個(gè)飛控算法包括飛行姿態(tài)算解、姿態(tài)控制。

姿態(tài)算解就是根據(jù)MPU6050的陀螺儀和加速度計(jì)分別獲得獲得三軸轉(zhuǎn)動的角速度和三軸方向上的加速度，求解四旋翼飛行器的方位和姿態(tài)。MPU6050內(nèi)部集成了數(shù)字運(yùn)動處理（DMP）單元，利用卡爾曼濾波對六軸數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合產(chǎn)生四元數(shù)。主控芯片通過IIC總線直接從MPU6050的數(shù)據(jù)緩存中讀出四元數(shù)，利用公式（1）把四元數(shù)轉(zhuǎn)化為歐拉角[2-3]，從而獲得飛行器的當(dāng)前姿態(tài)。

3.2 雙閉環(huán)PID控制

四旋翼飛行器在飛行過程中不可避免的會受到外部的干擾，因此，采用雙閉環(huán)串級控制算法實(shí)現(xiàn)飛行器飛行姿態(tài)的調(diào)整和控制，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，控制框圖如圖2所示。內(nèi)環(huán)對飛行器的角速度進(jìn)行PID控制，外環(huán)對飛行器的姿態(tài)角進(jìn)行PID控制。

4 實(shí)物圖片

微型四旋翼飛行器的實(shí)物如圖3所示。

5 結(jié)論

微型四旋翼飛行器在硬件上采用高性能的STM32F103C8T6和MPU6050芯片，結(jié)構(gòu)簡單可靠。在軟件上使用MPU6050芯片的DMP功能直接讀取飛行器的姿態(tài)結(jié)合雙閉環(huán)PID控制飛行器姿態(tài)，獲得更穩(wěn)定的飛行姿態(tài)控制。

【參考文獻(xiàn)】

[1]齊書浩.微型四旋翼飛行器總體設(shè)計(jì)及其運(yùn)動控制[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.

[2]陳哲.捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)原理[M].北京宇航出版社，1986.

[3]賈瑞才.基于四元數(shù)EKF的低成本MEMS姿態(tài)估計(jì)算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2014（1）：90-95.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]