基于雙STM32多旋翼無人機控制系統(tǒng)設計

袁安富，徐金琦，王 偉，馬 浩

(南京信息工程大學 信息與控制學院，江蘇 南京 210044)

隨著科學技術的進步和時代發(fā)展的需求，無人機無論在軍事還是民用領域都具有廣泛的應用前景。近年來，對無人機領域的研究已得到國內外各大研究機構的重視，特別是微小型多旋翼無人機的研究得到迅猛的發(fā)展。微小型多旋翼無人機可廣泛應用于軍事偵察、高空拍攝、交通監(jiān)控及自然災害勘察等領域。因此，實現(xiàn)微小型多旋翼無人機的自主飛行具有重要的現(xiàn)實意義[1]。然而，實現(xiàn)無人機的自主飛行不可避免地要涉及到飛行器姿態(tài)、速度、位置這幾個大方面的控制運算，因此對于控制器的運算能力有很高的要求。

現(xiàn)有的飛行控制系統(tǒng)一般采用ARM7、DSP等高速處理器作為控制芯片。對于這類單芯片飛控系統(tǒng)，一個控制周期內要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運算及指令輸出，同時還需將數(shù)據(jù)輸出到監(jiān)控系統(tǒng)，過重的負荷影響了系統(tǒng)的可靠性[2]。針對這一問題，本文設計了一種雙芯片飛行控制系統(tǒng)，采用2個STM32F107VCT6處理器同時分工協(xié)作的機制,完成對飛行控制的任務要求。該系統(tǒng)設計結構可靠，運算處理能力強，穩(wěn)定性高。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)功能劃分及硬件布局

多旋翼無人機自主飛行控制系統(tǒng)較為復雜，一般需要設計3類控制器：位置控制器、速度控制器及姿態(tài)控制器。同時還有姿態(tài)角推算，導航數(shù)據(jù)融合等算法[3]。

為了滿足以上控制和算法要求，機載部分的硬件布局就顯得尤為重要。若要得到很好的實時控制效果，控制頻率是一個重要的考慮因素。因此，為了完成高頻的控制運算，本文設計了一種雙芯片控制系統(tǒng)，2個處理器同時處理數(shù)據(jù),協(xié)調工作,達到自主飛行的目的[4]。協(xié)同任務的分配如表1所示。 其雙芯片系統(tǒng)結構如圖1所示。主控制器部分有IMU模塊、GPS模塊、遙控器無線接收機及XBEE無線傳輸模塊；從控制器有陀螺儀傳感器、三軸加速度傳感器、地磁傳感器、氣壓傳感器、PWM輸出模塊及SD卡數(shù)據(jù)存儲器[5]。

表1 飛行控制系統(tǒng)主要任務分配

圖1 雙芯片系統(tǒng)結構圖

1.2 系統(tǒng)硬件選型

(1)主從控制器：采用 ST公司 STM32F107VCT6型號的32位微處理器，時鐘頻率達到72 MHz，其豐富硬件接口資源及功能強大的DMA控制方式，充分保證無人機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實時性。主從CPU之間采用高達18 MHz的SPI接口進行雙機通信[6]。針對實際應用，對通信接口增加硬件握手，主機每次在傳輸數(shù)據(jù)前詢問從機狀態(tài)，如準備好，則開始發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣可以避免主機發(fā)送數(shù)據(jù)時,而從機正處于中斷接收配置代碼區(qū)，無法接收數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)丟失，無法正確接收數(shù)據(jù)[7]。

(2)模擬量傳感器：加速度傳感器(ADXL335)、陀螺儀傳感器(ADXRS610)。采用模擬量傳感器的優(yōu)勢在于可以高頻率且精確地進行數(shù)據(jù)采集，滿足400 Hz姿態(tài)控制頻率的要求。

(3)數(shù)字量傳感器:地磁計(MAG3110)、氣壓計(BMP0805)、GPS模塊。數(shù)字量傳感器使用相對簡單，且在控制位置和速度時的頻率相對較低，數(shù)字量傳感器可以滿足要求。

(4)無線傳輸模塊：遙控器、遙控器接收機、XBEE無線傳輸模塊。

(5)擴展模塊:IMU模塊?？梢酝ㄟ^搭載高性能的IMU模塊來驗證控制板上各種傳感器的性能及估算的姿態(tài)角的準確性[8]。

2 嵌入式系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件的設計是基于IAR軟件平臺下開發(fā)，采用匯編語言和C語言混合編程實現(xiàn)。主要分為主控制器和從控制器兩部分的軟件設計。

2.1 主控制器軟件設計

主控制器軟件流程圖如圖2所示。遙控器的數(shù)據(jù)接收、上位機的數(shù)據(jù)接收、GPS數(shù)據(jù)讀取、高度計和地磁計的數(shù)據(jù)讀取、主循環(huán)控制頻率等利用中斷程序完成。為了減輕CPU負載,對地面站的數(shù)據(jù)輸出采用DMA功能，無需CPU干預。

圖2 主控制器軟件流程圖

2.2 從控制器軟件設計

從控制器需要完成400 Hz的控制運算，同樣需要分別配置STM32的USART接口、SPI接口及定時器中斷。采集頻率設定為2 000 Hz，并對采集到的數(shù)據(jù)進行巴特沃斯數(shù)字低通濾波。巴特沃斯數(shù)字濾波器相比其他數(shù)字濾波器而言，通帶內具有最大平坦幅度、阻帶頻率響應逐漸下降為零的特點。濾波器的性能指標如下：通帶截止頻率 20 Hz,阻帶截止頻率100 Hz,阻帶最小衰減20 dB，通帶最大衰減3 dB[9]。對于SD卡的數(shù)據(jù)寫入同樣采用SPI的DMA功能,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速寫入，節(jié)約CPU時間。

從控制軟件流程圖如圖3所示，接收與發(fā)送主機數(shù)據(jù)、主循環(huán)頻率都利用中斷程序完成[5]。同時為了節(jié)約CPU對外圍設備的讀寫的時間，采用ADC的DMA功能實現(xiàn)對模擬量傳感器的數(shù)據(jù)讀取，并將數(shù)據(jù)采集和存儲交由DMA控制器。

3 實驗結果

為驗證系統(tǒng)方案的可行性，將含有速度控制和姿態(tài)控制的飛行控制系統(tǒng)搭載四旋翼飛行器進行室外飛行實驗[10]，如圖4所示。

圖5和圖6的實驗結果表明，控制器能夠很好地跟蹤速度目標值，實現(xiàn)飛行器按預定速度飛行。由此可知，整個系統(tǒng)具有良好的目標追蹤性及穩(wěn)定性。

本文提出了一種新型的采用雙芯片結構的多旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)的設計方案。從硬件設計和軟件設計兩方面詳細介紹了設計與實現(xiàn)的過程，并在主機、從機上設計不同的控制器。實驗結果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，可以完成各種方式的數(shù)據(jù)傳輸，處理速度快，能夠有效地完成自主飛行所需各種運算要求，為實現(xiàn)該類無人機的自主飛行奠定了良好的基礎。

圖3 從控制器軟件流程圖

圖4 多旋翼無人飛行器

圖5 姿態(tài)控制實驗結果

圖6 速度控制實驗結果

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