基于UWB室內定位六旋翼無人機的設計

楊 森，馬添麒

（江蘇科技大學 電信學院，江蘇 鎮江 210016）

1 多旋翼無人機技術概述

近年來，多旋翼無人機技術，在救援，航拍，農業，偵察等各個民用領域都得到了廣泛的關注與研究，應用前景非?？捎^。微型多旋翼無人機由于其本身所具備的特殊性，如優秀的低速性能和垂直起降性能、簡單緊湊的機械結構、機身小巧便于隱藏和攜帶、可拓展性強、方便部署與維護等優點，在民用領域得到多方面應用[1]。

相比較于室外，室內由于其空間狹小，障礙物較多，高度低等問題，往往對于飛行器的低速性能有著較高的要求，對于其本身的大小有極大的限制，因此在本設計中多旋翼無人機采用六旋翼為代表，為了有效突出六軸的可控性，本文在飛行控制器設計中加入了超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）室內定位系統[2]，將室內相對坐標位置與陀螺儀所采集的三軸角速度、磁力計采集的三軸磁力信息、加速度傳感器采集的三軸加速度以及氣壓計所采集的高度信息相融合，并采用卡爾曼濾波算法[2]，此算法不僅可以有效地減弱陀螺儀自身的溫漂現象、零漂現象[3]，還可以使得多傳感器之間優勢互補，進一步提高六旋翼飛行控制系統的控制精度。

2 飛行器硬件組成

2.1 飛行器總體架構

飛行控制器主控板主要由意法半導體公司STM32系列的STM32F03C8T6、MPU6050（六軸陀螺儀），MS5611（氣壓傳感器），HMC5883L（電子羅盤）、LG33-MIC5219（5 V～3.3 V穩壓模塊）、DWM1000室內定位模塊及其各自周邊電路組成，飛機的供電由3.7 V鋰電池經過穩壓3.3 V5 V給主控板各芯片及周邊電路供電。

按功能來分，可分為主控制模塊、傳感器數據采集模塊、電源管理模塊、數據通信模塊、動力驅動模塊、UWB室內定位功能模塊等六大模塊。

2.2 主控制模塊

六旋翼飛行控制系統主控制模塊芯片采用意法半導體公司的STM32系列的STM32F103C8T6增強型存儲容量64 K完全滿足目前飛控固件大小，支持后續飛控程序功能拓展，支持飛行姿態數據的精確浮點運算以及速度更快的ARM Cortex M4內核的計算。核心控制器芯片硬件引腳如圖1所示。

圖1 STM32F103C8T6硬件引腳

2.3 電源管理模塊

電源模塊，系統總電源采用直流電源3.7 V鋰電池進行供電，通過分電單元將電源分6路供給6路電機，通過3.3 V5 V穩壓模塊引出3.3 V5V電源給主控板各芯片及周邊電路供電，且主控板上各電源正極相通，地相通，便于各芯片同時供電。主控板上LTC3200，MIC5219（3.3 V5 V穩壓模塊）用于將供電3.7 V電壓轉化為部分模塊需要的3.3 V以及5 V電壓。部分硬件電路如圖2—3所示。

圖2 LTC3200硬件電路

圖3 LG33-MIC5219硬件電路

2.4 動力驅動模塊

系統考慮到協同，載荷等因素選用了820空心杯電機，一個簡單的N型金屬氧化物半導體（N-Mental-Oxide-Semiconductor，NMOS）電路即可很好地驅動。如圖4所示，R6電阻主要是考慮到對互連延遲引起的時序問題以及串擾、傳輸線效應等信號完整性。R7電阻主要起到下拉作用，防止因為單片機未給控制信號時出現的不確定狀態而導致電機轉動。

圖4 電機及其驅動相關電路

2.5 傳感器數據采集模塊

MPU6050功能模塊與主控微控制單元（Micro Control Unit，MCU）的通信協議是集成電路總線（Inter Integrated Circuit，IIC），系統運行時主控單片機需要對傳感器進行數據的讀寫[4]，即對MPU6050傳感器的寄存器用IIC進行數據讀寫，程序中先將MPU6050的數字運動處理器（Digital Motion Processor，DMP）相關參數配置好，通過MPU6050采集運動信息，通過傳感器自帶的DMP直接將原始數據解算出四元數和姿態，而不需要在程序中進行額外的數學運算，大大減輕了MCU的算法處理方面的壓力。得到四元數等數據后再經過數學運算便可求得歐拉角，計算出目標歐拉角與實際歐拉角的差，輸入比例積分導數（Proportion Integral Derivative，PID）控制器即可。MPU6050的接線圖如圖5所示。

其中用MPU6050的XCL，XDA端子與HMC5883L的SCL，SDA端子相連，這樣一來就可以從此IIC接口讀出一個9軸的信息，包括三軸的MEMS陀螺儀姿態信息即3個軸的角速度；三軸的加速度；以及三軸的磁感應強度[4]。這三者之間相互矯正可以為飛行控制系統提供較為精確的姿態以及運動方向信息。其中三軸數字羅盤HMC5883L，以及氣壓傳感器MS5611的硬件接線如圖6—7所示。

圖5 MPU6050硬件電路

圖6 HMC5883L硬件電路

圖7 MS5611硬件電路

2.6 數據通信模塊

數據通信功能模塊大致上可分為兩個部分：一是USB串口通信，二是接收發送PWM信號的2.4G無線接收機以及遙控器。

2.7 UWB室內定位功能模塊

如果系統多個飛行器之間需要協同，那就需要各自的相對以及絕對位置等各方面信息，于是給每一個飛行控制系統配備了一個DWM1000模塊，這個模塊采用的是DecaWave公司的DW1000 Ultra Wideband收發集成電路[1]，是一個集成了天線，所有射頻電路，電源管理以及時鐘電路的模塊。它可以用于雙向測距或者TDOA定位系統，可以精確到最小10 cm[1]，并且支持高達6.8 Mbps的數據速率，對于微型六旋翼這種可以高速移動、更新頻率要求較高的載體非常實用。

3 飛行參數調試

這里只作單個飛行控制系統的傳感器數據回傳、PID參數整定調試。

3.1 傳感器數據回傳調試

飛行控制系統搭載了MPU6050三軸陀螺儀傳感器、三軸加速度傳感器、三軸數字羅盤HMC5883L以及氣壓傳感器MS5611，具體回傳數據波形如圖8所示。

3.2 PID參數整定

系統采用的是角度和角速度的雙閉環PID控制算法。PID控制算法中P比例環節的作用是加快系統的響應速度，同時提高系統的調節精度，但若不設限，隨著P的增大，系統極易產生超調，穩定性變差；I即積分環節，這個環節可以幫助系統消除靜態誤差；D即微分環節，可以對偏差進行提前預知，抑制偏差變化，改善系統動態性能。

在飛行控制系統中，對于比例環節，P如果太小會導致角速度的誤差難以修正，系統響應速度也比較慢。但P如果太大，也會導致系統產生震蕩。因此選取一個合適的P參數不僅可以使得系統響應速度加快，也可以避免系統發生震蕩。而微分環節的參數D則可以顯著地抑制方向回中后的振蕩現象。對于積分環節的參數I，I可以在一定范圍內改善由于重力影響使得六軸發生偏移的現象。

4 結語

本文從微型六旋翼飛行器的原理入手，以STM32F103C8T6為飛行控制系統主控芯片，集成了室內定位系統所需的超寬帶定位模塊DWM1000，MPU6050（六軸陀螺儀），MS5611（氣壓傳感器），HMC5883L（電子羅盤），多個傳感器模塊，經過系統及其周邊的相關電路設計、制作，實現了微型UWB室內定位協同六旋翼實驗平臺的搭建，經過多次飛行試驗證明了本設計硬件平臺的可行性。

圖8 傳感器數據回傳

[參考文獻]

[1]于雅莉，孫楓，王元昔.基于多傳感器的四旋翼飛行器硬件電路設計[J].傳感器與微系統，2011（8）：113-115，123.

[2]解延春，唐佳，倪榮霈，等.基于DW1000的超寬帶室內定位系統設計[J].數字技術與應用，2016（4）：187-190.

[3]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（2）：119-142.

[4]馮新宇，范紅剛，辛亮.四旋翼無人飛行器設計[M].北京：清華大學出版社，2017.