微型四旋翼飛行控制器設計

張權權+　王立成+　李浩

【摘 要】利用慣性傳感器MPU6050和STM32微控制器設計一種微型四旋翼飛行控制器，采用雙閉環PID控制飛行器的姿態，系統穩定，抗干擾能力強。

【關鍵詞】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、結構簡單、成本低廉等優點，而且能夠在狹小的空間內垂直起降、定點懸停，能夠適應各種復雜環境，具有廣闊的應用前景。

但是，四旋翼飛行器是一個典型的非線性、強耦合、多變量的欠驅動系統[1]，并且在飛行過程中容易受到外界的干擾因素影響，使得飛控系統的設計變得尤為困難。因此，本文采用STM32處理器為核心控制器，結合MPU6050陀螺儀加速度計、2.4G無線通信模塊，設計雙閉環PID控制算法，實現微型四旋翼飛行器的穩定飛行。

1 系統總體設計

四旋翼飛行器總體結構如圖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成。操控者通過遙控器向飛行器發送飛行指令，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、加速度計芯片MPU6050以及GPS芯片 的實時信息，經過濾波算法后進行飛行姿態算解，使用閉環PI算法計算四個電機的PWM占空比，最終通過控制四個電機的轉速實現飛行器姿態的控制。

2 系統硬件設計

2.1 系統主控制器

飛行器選用意法半導體（ST）公司的STM32F103C8T6作為主控芯片，該芯片采用Cortex-M3內核，主頻最高72MHz，內置64KB程序存儲器，20KB數據存儲器，3個通用定時器，1個高級定時器，2個12位10通道ADC，32個通用IO口，支持SPI、IIC、UART、USB、CAN等總線接口。滿足飛控系統的各項要求。

2.2 陀螺儀與加速度計傳感器模塊

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

3 系統軟件設計

3.1 飛控算法設計

整個飛控算法包括飛行姿態算解、姿態控制。

姿態算解就是根據MPU6050的陀螺儀和加速度計分別獲得獲得三軸轉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。MPU6050內部集成了數字運動處理（DMP）單元，利用卡爾曼濾波對六軸數據進行數據融合產生四元數。主控芯片通過IIC總線直接從MPU6050的數據緩存中讀出四元數，利用公式（1）把四元數轉化為歐拉角[2-3]，從而獲得飛行器的當前姿態。

3.2 雙閉環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，采用雙閉環串級控制算法實現飛行器飛行姿態的調整和控制，提高系統的抗干擾能力，控制框圖如圖2所示。內環對飛行器的角速度進行PID控制，外環對飛行器的姿態角進行PID控制。

4 實物圖片

微型四旋翼飛行器的實物如圖3所示。

5 結論

微型四旋翼飛行器在硬件上采用高性能的STM32F103C8T6和MPU6050芯片，結構簡單可靠。在軟件上使用MPU6050芯片的DMP功能直接讀取飛行器的姿態結合雙閉環PID控制飛行器姿態，獲得更穩定的飛行姿態控制。

【參考文獻】

[1]齊書浩.微型四旋翼飛行器總體設計及其運動控制[D].上海：上海交通大學，2013.

[2]陳哲.捷聯慣導系統原理[M].北京宇航出版社，1986.

[3]賈瑞才.基于四元數EKF的低成本MEMS姿態估計算法[J].傳感技術學報，2014（1）：90-95.

[責任編輯：朱麗娜]