改進(jìn)式軟硬件的四旋翼飛行器系統(tǒng)

劉順財(cái) 施培植

(1.福州理工學(xué)院計(jì)算與信息科學(xué)學(xué)院；2.福州理工學(xué)院移動(dòng)通信和物聯(lián)網(wǎng)福建省高校工程研究中心福建福州 350014)

在空中飛行需要克服眾多因素，要克服地球的吸引力，以及保持旋轉(zhuǎn)慣力和空氣的阻力等。此外還需要考慮電池續(xù)航、飛行過程中的亂發(fā)亂竄等問題，這些都需要精密的算法與硬件結(jié)合。

一、系統(tǒng)方案

系統(tǒng)采用STM32F103為核心芯片，以MPU6050六軸傳感器的芯片作為測量角速率、加速度等主要裝置，遙控部分則通過NRF24L01(2.4G)線通信模塊實(shí)現(xiàn)遙控端和飛控端的數(shù)據(jù)傳輸，通過多個(gè)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，產(chǎn)生PWM波調(diào)速信號(hào)驅(qū)動(dòng)空心杯電機(jī)，實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的垂直運(yùn)動(dòng)，前后運(yùn)動(dòng)，側(cè)向運(yùn)動(dòng)，偏航運(yùn)動(dòng)，俯仰運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

（一）傳感器模塊。STM32F103C8T6有3個(gè)16位定時(shí)器，設(shè)置定時(shí)器成為4路用于捕獲/比較/PWM的功能通道,支持2個(gè)I2C接口、3個(gè)USART接口和2個(gè)SPI接口和DMA直接內(nèi)存存取用于快速數(shù)據(jù)交換[1]。

MPU6050內(nèi)置一個(gè)16位的ADC，能將三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，編程高頻濾波器程序過濾不需要的信號(hào)，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。配置內(nèi)部低通濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波。STM32以集成電路總線通信的方式與MPU6050通信，最高的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)400kHz。通過芯片內(nèi)部的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理模塊DMP可減小MCU對(duì)于姿態(tài)融合運(yùn)算的負(fù)荷。驅(qū)動(dòng)IIC總線，對(duì)MPU6050的一系列寄存器進(jìn)行初始化，再從中讀取數(shù)據(jù)。

（二）通信模塊。NRF24L01是一種傳輸效率高，損耗極低，能在低壓正常運(yùn)行的射頻收發(fā)器。發(fā)射功率可配制成0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm[2]。數(shù)據(jù)傳輸速率有兩種選擇分別為1Mbps和2Mbps，具有125個(gè)通信通道和6個(gè)數(shù)據(jù)通道，數(shù)據(jù)包每次可傳輸最多32個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，通信速率最高10Mbps。使用SPI接口設(shè)置輸出功率頻道和傳輸協(xié)議、工作頻率、傳輸速率、通信地址和數(shù)據(jù)包長度,可以通過IRQ引腳觸發(fā)MCU來判斷是否完成數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。

二、四旋翼飛行器原理與硬件

（一）飛控板硬件電路。STM32F103C8T6、8M晶振和常規(guī)的電阻電容器件構(gòu)成飛控板硬件。8M晶振可通過芯片內(nèi)部PLL鎖相環(huán)倍頻電路將工作頻率提高到72M，以滿足四旋翼飛行器需要的運(yùn)行速度。

電源電路采用3.7V的動(dòng)力航模鋰電池，高于STM32工作電壓3.3V。為了能使飛行器更持久的飛行，需要充分利用完鋰電池的內(nèi)部能量，設(shè)計(jì)先升壓再降壓的電路。升壓芯片為BL8530，該芯片采用47uH電感作為儲(chǔ)能元件。內(nèi)部電路工作原理類似BOOST升壓電路，而SS34肖特基二極管充當(dāng)續(xù)流二極管。3.3V穩(wěn)壓電路采用662K穩(wěn)壓芯片，為MCU和傳感器供電。飛行器在飛行過程中，電池電量會(huì)不斷下降。如果單純使用662K降壓電路，當(dāng)電池電量低于3.3V時(shí)，穩(wěn)壓芯片無法正常工作。采用先升壓電路，可為后級(jí)降壓電路提供較持久的電壓差，保證四旋翼飛行時(shí)間。電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路

電機(jī)采用的是8520空心杯電機(jī)，以PWM調(diào)速信號(hào)控制2302的nMOS管的導(dǎo)通，達(dá)到控制轉(zhuǎn)速。2302的開啟電壓是3.3V時(shí)，導(dǎo)通電流可達(dá)3A以上。假設(shè)8520空心杯電機(jī)的消耗電流為1A，導(dǎo)通瞬間電流以2倍正常工作電流來計(jì)算。MOS管的承受電流大于2A，所以2302可以滿足8520空心杯電機(jī)的正常工作。電路中100歐姆電阻起到限流作用，當(dāng)MOS管導(dǎo)通瞬間，防止電流過大會(huì)加大MOS管負(fù)荷，縮短使用壽命。10K電阻的作用是當(dāng)芯片復(fù)位時(shí)，IO口為浮空輸入狀態(tài)，IO電平受外界影響，故加上10K下拉電阻防止MOS管異常導(dǎo)通，使電機(jī)異常工作。104電容的作用是吸收電機(jī)產(chǎn)生的高頻干擾噪聲。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

由于制板工藝所限，電路設(shè)計(jì)使用單面板，白線部分為飛線。在飛控板的PCB設(shè)計(jì)上耗費(fèi)大量時(shí)間，多次修改并重新制作。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)要解決當(dāng)四個(gè)空心杯電機(jī)同時(shí)工作時(shí)，電流最大可達(dá)2A，必須合理地為電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)對(duì)地回路。當(dāng)四個(gè)空心杯電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)飛控板產(chǎn)生的強(qiáng)度很大的電磁干擾，影響電路板上電子元器件的正常工作。NRF24L01(2.4G)無線通信模塊對(duì)印刷電路板的走線布局非常嚴(yán)格。模塊上的印刷天線附近不能存在走線。2.4G模塊對(duì)供電電源的純度要求嚴(yán)格，所以必須將模塊盡量靠近穩(wěn)壓電源輸出，以保證供電電源的純凈和穩(wěn)定。飛控板硬件電路PCB如圖4所示。

圖4 飛控板PCB

（二）遙控板硬件電路。遙控電路的最小系統(tǒng)電路跟飛控板的電路類似，也是8M晶振和電阻、電容元件。此外還添加了一個(gè)復(fù)位開關(guān)，當(dāng)遙控設(shè)備與飛控設(shè)備通信異常的情況需要進(jìn)行復(fù)位。

遙控電源供電部分采用的是MIC5219降壓芯片，將3.7V航模電池的電壓降壓為3.3V，以供MCU和傳感器使用。MIC5219是一種帶載能力強(qiáng)、輸出電流大、輸出電壓精度高、超低噪聲輸出、接近零關(guān)斷電流的電壓調(diào)節(jié)器。電路如圖5所示。

圖5 遙控板電源

搖桿電位器實(shí)質(zhì)由滑動(dòng)變阻器組合而成，通過STM32F103內(nèi)部的ADC采樣電路采集兩個(gè)搖桿電位器的電阻分壓值，歸一化后轉(zhuǎn)換為油門控制值和姿態(tài)角控制值。

三、飛控與遙控軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化，包括IIC、SPI通信接口以及MPU6050、NRF24L01設(shè)備初始化。接收上位機(jī)發(fā)送過來的指令，用LED指示燈顯示系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入中斷時(shí)，使用IIC通信接口讀取MPU6050數(shù)據(jù)，將讀取到的數(shù)據(jù)經(jīng)過卡爾曼濾波算法程序，通過四元數(shù)姿態(tài)解算程序計(jì)算出當(dāng)前的姿態(tài)信息。再通過PID算法對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，更新控制四個(gè)空心杯電機(jī)的PWM調(diào)速信號(hào)來調(diào)整四旋翼飛行器的姿態(tài)，飛行控制軟件包括姿態(tài)算法和姿態(tài)控制。

GPIO模擬IIC通信協(xié)議對(duì)MPU6050進(jìn)行通信。GPIO初始化時(shí)配置為開漏輸出。在進(jìn)行信道信息傳送時(shí)，數(shù)據(jù)引腳的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘引腳高電平期間保持不變。在數(shù)據(jù)引腳的電位狀態(tài)變換的過程中，只有電位為0的時(shí)候才開始改變。起始信號(hào)由當(dāng)時(shí)鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線由高電平向低電平切換。停止信號(hào)是當(dāng)時(shí)鐘線是高電平時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)生從低電平到高電平的跳變。應(yīng)答信號(hào)則是主控制器將數(shù)據(jù)線釋放（拉高），在響應(yīng)時(shí)間要求內(nèi)，從機(jī)將數(shù)據(jù)線拉低，表示一個(gè)有效的應(yīng)答信號(hào)，若從機(jī)沒有將數(shù)據(jù)線拉低，則表示為非應(yīng)答信號(hào)。軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

MPU6050設(shè)備的初始化：設(shè)置三軸陀螺儀采樣率為500Hz，設(shè)置低通濾波器頻率為42Hz，設(shè)置陀螺儀測量范圍為±2000deg/s,設(shè)置三軸加速度計(jì)測量范圍為±4G。

SMPLRT_DIV[7:0]是8位無符號(hào)數(shù)值。設(shè)置該數(shù)值將陀螺儀的輸出分頻，作為MPU6050的采樣頻率。傳感器的輸出、FIFO輸出以及DMP采樣都是基于這個(gè)采樣率數(shù)值。采樣完后鎖存器將復(fù)位到初始的FSYNC狀態(tài)。DLPF_CFG[2:0]是3位無符號(hào)數(shù)值，用來配置陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)字低通濾波器。

串行外設(shè)接口是單片機(jī)和外置設(shè)備之間的一種約定速率下的同步傳輸，發(fā)送和接收端都實(shí)時(shí)做數(shù)據(jù)交流。對(duì)NRF24L01初始化，設(shè)置通信頻段號(hào)，器件有125個(gè)頻段通道可供選擇。將通道設(shè)置為通道0，設(shè)置通信頻率，使能通道0的自動(dòng)應(yīng)答，設(shè)置通道0的接收地址和有效數(shù)據(jù)寬度,寫發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址和接收節(jié)點(diǎn)地址,配置循環(huán)自動(dòng)請(qǐng)求和最大限制重新發(fā)送請(qǐng)求頻率以及TX發(fā)送的傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)NRF24L01發(fā)送或接收到數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)在外部中斷引腳產(chǎn)生一個(gè)低電平中斷，通過外部中斷引腳的狀態(tài)來判斷無線通信模塊當(dāng)前收發(fā)數(shù)據(jù)的完成與否，然后將狀態(tài)標(biāo)志位清除，繼續(xù)下一次通信。

卡爾曼濾波是關(guān)于連續(xù)離散信號(hào)的遞歸濾波算法，卡爾曼濾波算法利用上個(gè)時(shí)刻的估算值和當(dāng)前時(shí)刻的測量值來計(jì)算出下一刻的估計(jì)值。將卡爾曼濾波算法結(jié)合四旋翼飛行器進(jìn)行闡述。如果想知道飛行器的一個(gè)姿態(tài)或速度等信息，就要從飛行器機(jī)架上的檢測裝置獲取。或者通過以牛頓慣性定律為原理的導(dǎo)航進(jìn)行數(shù)學(xué)邏輯與語言構(gòu)建的模型來運(yùn)算。將兩個(gè)值通過計(jì)算優(yōu)化后得到的優(yōu)化值。通過將該優(yōu)化值與數(shù)學(xué)模型計(jì)算出來的數(shù)值進(jìn)行比較，就知道哪種途徑計(jì)算出來的數(shù)值更接近優(yōu)化值。下次計(jì)算時(shí)，應(yīng)該給予該途徑計(jì)算出的數(shù)值更大的權(quán)重，通過反復(fù)的計(jì)算，從而得到一個(gè)相對(duì)較為實(shí)際的數(shù)值。利用卡爾曼濾波算法進(jìn)行濾波處理后可提高接收信號(hào)的準(zhǔn)確性[3-5]。程序函數(shù)如下所示：

PID是基于數(shù)學(xué)的比例、積分、微分算法組成的反饋控制器。當(dāng)發(fā)生誤差時(shí)，控制系統(tǒng)立即糾正誤差，并且在兩波之后姿態(tài)角將保持在穩(wěn)定水平并最終返回到平衡位置?？刂破靼旬?dāng)前的數(shù)據(jù)和設(shè)定的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后將差值用于新的計(jì)算輸入，最終使系統(tǒng)的輸出達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值，P代表比例控制，I代表積分控制，D代表微分控制[6-8]。比例控制越大，對(duì)誤差的調(diào)節(jié)會(huì)過于猛烈，會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。如果比例調(diào)節(jié)較小，則誤差出現(xiàn)時(shí)，控制器的響應(yīng)較慢，對(duì)誤差的修正力度較弱。積分控制會(huì)促使系統(tǒng)趨近設(shè)定值，消除單純只有比例控制的穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制量越大，趨近設(shè)定值的速度越快，但也有可能使反饋出現(xiàn)過沖的情況。微分控制是考慮未來誤差，計(jì)算誤差的變化率來對(duì)系統(tǒng)的改變做出反應(yīng)[9-10]。微分的結(jié)果越大，表明系統(tǒng)對(duì)誤差能做出更加快速的反應(yīng)。程序函數(shù)如下所示：

遙控軟件的功能是MCU采集搖桿電位器的四路電壓值轉(zhuǎn)換成控制指令，通過NRF24L01給飛行控制板發(fā)送指令，飛控板根據(jù)指令采取相應(yīng)的動(dòng)作。

四、系統(tǒng)整機(jī)調(diào)試

借助匿名科創(chuàng)地面站平臺(tái)對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行調(diào)試。當(dāng)前后、左右、上下移動(dòng)時(shí)ACC-X、ACC-Y、ACC-Z都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)變化，表明加速度計(jì)正常工作。當(dāng)飛行器朝3個(gè)軸向擺動(dòng)時(shí)，會(huì)看到PITCH、ROLL、YAW的數(shù)據(jù)同步更新，代表陀螺儀正常工作。地面站中還有一個(gè)飛行器的模型能根據(jù)實(shí)際飛行器的姿態(tài)同步更新。借助該平臺(tái)來調(diào)試PID控制器中比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)。在地面站寫入對(duì)四軸新的PID參數(shù)，設(shè)置不同的PID參數(shù)組合，從而使飛行器響應(yīng)快又可較穩(wěn)定的達(dá)到平衡。

（一）整機(jī)聯(lián)調(diào)。通過不斷地對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使四旋翼飛行器能夠較好地抵抗外接干擾，根據(jù)遙控指令作出響應(yīng)并準(zhǔn)確飛行。當(dāng)系統(tǒng)未能使四旋翼飛行器垂直起飛，起飛時(shí)會(huì)有偏移現(xiàn)象存在，具體調(diào)試步驟如下：先調(diào)PITCH和ROLL的內(nèi)環(huán)P。慢慢加大P，使得四旋翼飛行器能平穩(wěn)起飛。然后繼續(xù)增大P，直到四旋翼飛行器開始輕微抖動(dòng)。再把P值降低，使得四旋翼飛行器能平穩(wěn)起飛。然后再加一點(diǎn)D值抑制振蕩。調(diào)節(jié)PITCH和ROLL的外環(huán)P。使P慢慢增大，會(huì)感覺四旋翼抑制偏移的力量越來越大，但是會(huì)有振蕩現(xiàn)象存在。此時(shí)一樣加入D抑制振蕩，再調(diào)節(jié)一下參數(shù)I就可以使四旋翼飛行器工作地較為流暢穩(wěn)定。

在調(diào)節(jié)四旋翼飛行器的過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)通信突然異常，飛控板不受遙控控制，飛行器出現(xiàn)亂飛亂竄的現(xiàn)象。通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)原因是空心杯電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)帶來的電磁干擾。為此重新設(shè)計(jì)飛控板PCB設(shè)計(jì)，對(duì)每一個(gè)電機(jī)的電流回路都做了相應(yīng)的處理，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的大電流有單獨(dú)的對(duì)地回路，并且增大對(duì)地回路的面積。而后又將NRF24L01無線通信模塊單獨(dú)通過飛線固定在板外。降低電機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾影響。通過以上設(shè)置之后，后續(xù)的調(diào)試過程中，沒有產(chǎn)生通信異常等狀況，作品如圖7所示。

圖7 成品電路圖

五、結(jié)語

改進(jìn)式軟硬件的四旋翼飛行器系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)調(diào)試總結(jié)如下：

（一）如果利用直接3.3穩(wěn)壓芯片的供電電路，隨著鋰電池低于3.3V時(shí)，系統(tǒng)因?yàn)檗k法穩(wěn)壓導(dǎo)致飛行器沒有辦法飛行。對(duì)比設(shè)計(jì)一個(gè)先升壓再降壓，并穩(wěn)定3.3V的供電電壓，可以基本用完鋰電池的能量。

（二）如果不考慮高頻和地線線寬的布線，直接隨機(jī)等寬自動(dòng)布線時(shí)，系統(tǒng)因?yàn)殡娏骱碗姶艌龅母蓴_導(dǎo)致飛控板不受遙控控制，飛行器出現(xiàn)亂飛亂竄的現(xiàn)象。對(duì)比按照高頻信號(hào)、抗電磁場和大電流的要求設(shè)計(jì)一個(gè)合理的PCB，基本上沒有在出現(xiàn)亂飛亂竄的現(xiàn)象。

（三）通過卡爾曼濾波算法進(jìn)行濾波處理后可提高接收信號(hào)的準(zhǔn)確性。

（四）通過在地面站寫入對(duì)四軸新的PID參數(shù)，設(shè)置不同的PID參數(shù)組合，從而使飛行器響應(yīng)快又可較穩(wěn)定的達(dá)到平衡。