基于TM4C123G的四軸飛行器控制系統

向常青

摘 要：以TI公司基于ARM的32位微控制器TM4C123G為控制核心，設計了一款四軸飛行器控制系統，實現了對四軸飛行器的姿態控制。介紹了飛控系統硬、軟件的設計方法，利用Matlab仿真工具設計了PID控制器，實現了四軸飛行器的平穩飛行和遠程遙控。

關鍵詞：四軸飛行器；飛行控制系統；PID控制器；姿態解析

中圖分類號：TN710 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.077

近年來，四軸飛行器受到了科研人員的廣泛關注。由于四軸飛行器具有垂直起降、可攜帶遠程設備、控制靈活等優點，目前已被廣泛應用于影視航拍、安防消防、農業植保、電力巡線等領域。

本研究在當前四軸飛行器控制理論與技術的基礎上，選用德州儀器公司基于ARM的32位TM4C123G系列微處理器、三軸陀螺儀MPU6050等傳感器設計了硬件系統，利用MATLAB設計了模糊PID控制器，并在此基礎上搭建了硬件實驗平臺，最終實現了預期設計目標。

1 四軸飛行器的工作原理

四軸飛行器使用4個獨立的無刷電機作為系統的動力系統。4個電機分別安裝在十字機架的4個頂端位置。通過控制4個電機的轉速，就能控制四軸飛行器的飛行姿態。四軸飛行器的結構模型如圖1所示。

2 四軸飛行器控制系統的總體框架

四軸飛行器的飛行控制系統由姿態傳感器、微控制器、電子調速器和電源四大部分組成。其中，姿態傳感器用來測量四軸飛行器飛行時的姿態數據；微控制器負責對這些數據、內置狀態和遙控器指令進行綜合處理，然后輸出4路PWM信號控制電子調速器，以改變電機轉速，實現預期的飛行姿態。

3 系統硬件設計

四軸飛行器控制系統以德州儀器公司基于Cortex-M4內核的TM4C123G為主控制器。該控制器主頻高達80 MHz，具備DMA單元，有多達24路的PWM輸出和12位高精度ADC，主要負責傳感器數據的采集和處理。姿態解算算法、PID算法和遙控信號的解碼用來接收和發送數據命令。控制系統的結構如圖2所示。

3.1 姿態傳感器模塊

四軸飛行器的飛行姿態可以用6個物理量表示，即三維坐標中的3個位置量和沿3個軸的姿態量，稱為六自由度。陀螺儀的作用是測量四旋翼飛行器的角速率，在慣性導航系統中非常重要，陀螺儀選型的依據是精度和穩定性。三軸數字輸出陀螺儀L3G4200D是意法（ST）半導體公司推出的一款MEMS運動傳感器，可選擇-250～250 dps、-500～500 dps、-2 000～2 000 dps三種全量程。該傳感器采用I2C和SPI接口輸出，可以精確地采集四旋翼飛行器3個方向的角速率和線加速度數據。由于導航參數會隨傳感器的測量誤差積累而發散，在慣性導航算法中，不能長時間自主飛行，因此，選用霍尼韋爾公司的三軸式數字羅盤HMC5883校準慣性導航系統的姿態。HMC5883采用I2C通信協議，無需額外的轉換電路即可與STM32的硬件I2C接口通信。

3.2 無線通信模塊

無線通信模塊是四軸飛行器與遙控器的通信紐帶。本研究要求無線傳輸距離小于100 m，利用nRF24L01+進行無線通信。nRF24L01+是一款工作頻率在2.4～2.5 GHz之間、世界通用ISM 頻段的單片無線收發器芯片，其通過SPI接口與MCU連接，速率為0～8 Mbps，支持2 Mbps、1 Mbps和250 kbps的傳輸速率，支持自動應答、自動重發、內置地址和CRC數據校驗模功能，且使用方便，在100 m之內傳輸穩定、可靠，最終可實現遙控裝置與飛行控制器之間的通信。

3.3 電機驅動模塊

本研究采用電調控制無刷電機。通過TM4C123G輸出4路PWM信號控制電調，對電機轉速進行調整，從而控制飛行姿態。

4 系統軟件設計

四軸飛行器是一個欠驅動系統，具有4輸入6輸出，其對稱的結構設計使四軸在對俯仰角和橫滾角的控制上有著幾乎相同的控制特性，且兩者相對獨立。四軸飛行器的俯仰、橫滾、偏航、升降可以通過4個輸入量來控制。飛行控制系統微處理器主要負責各個模塊的初始化、系統自檢、傳感器數據解算、遙控信息解算、控制算法執行和控制量輸出等。通過信號量和消息隊列，實現了各任務間數據的相互交換和同步。

5 結束語

本文利用Matlab設計了PID控制器，并給出了基于TM4C123G微控制器的四軸飛行器控制系統的硬、軟件設計方案。通過實際搭建硬件測試平臺，實現了預期的設計目標。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕