基于DSP的四旋翼無人機控制系統研究

郭志峰 陳凱生

摘 要：四旋翼無人機是一個復雜的多輸入多輸出系統，控制難度較大，一直是研發人員的重點研究對象，本文以DSP為核心控制器，利用DSP可以快速實現各類數字信號處理算法的優勢，研究在DSP環境下四旋翼無人機控制系統的設計，包括硬件設計和軟件設計，并利用自動代碼生成技術實現。

關鍵詞：四旋翼；DSP；控制

四旋翼無人機具有結構簡單，可垂直起降、對飛行空間要求少等優點，近年來備受研究人員的關注，四旋翼無人機的研究熱度持續增加。四旋翼無人機是一個典型多輸入多輸出系統，控制難度較大，需要處理器對姿態傳感器采集的姿態信號快速處理，并發送控制信號給動力系統，時時調整無人機飛行姿態。因此，四旋翼無人機的控制器需要具有快速實現各類數字信號處理算法的能力，而DSP即數字信號處理器可以解決這一問題。

本文以TMS320F28335為核心，研究四旋翼無人機的控制系統設計。TMS320F28335型數字信號處理器是TI公司的一款TMS320C28X系列浮點DSP控制器。與以往的定點DSP相比，該器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設集成度高，數據以及程序存儲量大，A/D轉換更精確快速等優點[1]。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮 點處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多達18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出 （HRPWM），12位16通道ADC，滿足四旋翼無人機的基本需求。無人機控制系統可分為硬件系統設計和軟件系統設計兩部分。

1 系統硬件整體設計

無人機控制系統硬件部分主要包括處理器模塊、姿態檢測模塊、無線通訊模塊、穩壓供電模塊等，硬件系統整體框圖如圖1所示。

該系統以DSP控制器為主要處理器，起到對無人機各個模塊整體協調的作用。慣性測量模塊（IMU）主要包括MPU6050姿態傳感器和高度氣壓計等，用來測量四旋翼無人機的飛行姿態數據和高度數據；無線通訊模塊主要指與遙控器配對使用的接收機，無線電遙控器通過接收機遠程遙控四旋翼無人機，進行姿態控制；電機驅動模塊主要是指電子調速器，可以方便的控制直流無刷電機，電子調速器主要由六個功率開關和ECU芯片組成，主要功能是將直流電逆變為三相交流電，波形一般為梯形波；穩壓供電模塊主要負責整個系統的穩定供電，防止電脈沖信號對電子元器件的損壞；上位機可以通過串口與飛控系統連接，采集四旋翼無人機的飛行數據，以便調試和更好的控制。

2 系統軟件整體設計

系統軟件部分設計的思路是，慣性測量傳感器測的飛機姿態信號和氣壓計測的高度信號進行數據融合處理后，解出飛機的俯仰角、偏航角、滾轉角信號，再將這些姿態信號傳遞給DSP控制器進行數據處理，這些信號經過DSP控制器控制算法運算后，輸出PWM信號給電子調速器，進而控制無刷直流電機的轉速，達到無人機穩定飛行。

姿態解算是四旋翼無人機控制的關鍵之一，姿態解算的精度和速度將直接影響飛行控制算法的穩定性、可靠性和實現的難易程度，所以，姿態解算是飛行控制實現的前提[2]。常用的姿態解算算法有很多，如歐拉角法，四元數法，方向余弦法。姿態解算的主要作用是將姿態傳感器和加速度傳感器信號轉化為無人機的姿態角和速度信號。本控制系統用的是基于四元數的姿態解算算法，四元數是愛爾蘭數學家哈密頓發明的數學概念，它是復數在四維空間的延伸，它實質上是求解四個未知量的線性微分方程組，具有計算量小、算法簡單等特點。

3 自動代碼生成

系統硬件和軟件搭建起來后，需要對DSP開發板進行程序編寫和下載。傳統的DSP開發方式是在TI公司提供的CCS軟件下編寫程序，經過仿真器與DSP開發板連接，然后進行調試、下載等工作，這樣做開發效率低下、容易出錯。而MATLAB為開發人員提供了DSP的自動代碼生成技術，使軟件開發人員擺脫了底層開發的困擾，同時將算法設計和代碼實現在統一的開發環境中進行，完成了算法仿真和系統實現的無縫連接[3]。

MathWorks公司和TI公司聯合開發了CCSLink工具，提供了MATLAB和CCS的接口，即把MATLAB和TI CCS及目標DSP連接起來。而且Simulink中集成了DSP的開發模塊，本文在Simulink環境下建立控制系統模型，并進行模型仿真，對算法進行驗證，一旦仿真結果滿意，便可以插入C2000 DSP的應用模塊，利用Real―Time Workshop直接生成DSP的可執行目標代碼，完成代碼加載、執行及與目標DSP進行通信等功能。

4 結語

通過利用TMS320F28335搭建四旋翼無人機控制系統，充分利用DSP數字信號處理方面的優勢，綜合硬件部分和軟件部分，通過在自動代碼生成技術，在Simulink中搭建仿真模型并驗證，生成代碼加載到DSP目標板中，最終實現了四旋翼無人機的穩定飛行。

參考文獻

[1] 雷曉瑜，曹廣忠.TMS320F28335及其最小應用系統設計[J].電子設計工程，2009， 17（1）：91-92.

[2] 梁延德，程敏，何福本 等.基于互補濾波器的四旋翼飛行器姿態解算[J].傳感器與微系統， 2011，30（11）：56-58.