基于LabVIEW的四旋翼飛行器姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

謝 檬，南 洋

(西安交通大學城市學院，西安 710018)

0 引言

1901年，Breguet兄弟開始研發(fā)“旋翼機1號”四旋翼飛行器[1-3]。“旋翼機1號”采用四根鋼管組成的“十字架”形狀結(jié)構(gòu)，于1907年的年底，首次實現(xiàn)四旋翼飛行器載人升空，這一突破性的進展極大促進了四旋翼飛行器的發(fā)展[4-9]。而后幾十年，德國公司研發(fā)的MD4型號四旋翼飛行器、美國斯坦福大學研發(fā)出STARMAC四旋翼飛行器、法國派諾特公司研制的AR.Drone四旋翼飛行器、奧克蘭大學推出帶有飛控系統(tǒng)的四旋翼飛行器、我國的“大疆”公司和“零度智控”公司推出的ZERO1600系列無人機在民用無人機領(lǐng)域得到了推廣[10-14]。世界各國無一不把四旋翼飛行器列為重點研究對象。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 傳感器驅(qū)動電路圖

四旋翼飛行器可以實現(xiàn)各種方位和角度的飛行、且能對目標區(qū)域進行遠距離的實時低空偵察和觀測，同時向地面監(jiān)測站傳送實施的影像信息；得益于四旋翼飛行器多種靈活的飛行姿態(tài)[15]。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，四旋翼飛行器可以攜帶現(xiàn)代武器，比如遠程操控投放炸彈等等[16-19]。在民用方面，四旋翼飛行器可以執(zhí)行各種復(fù)雜環(huán)境的任務(wù)，比如環(huán)境監(jiān)測，大氣監(jiān)測，地貌監(jiān)測，森林防火等?？刂葡到y(tǒng)是四旋翼飛行器的核心技術(shù)，主要在飛行過程中操控著四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)、實時通信和位置導航等任務(wù)[20]。

四旋翼無人機主要由飛控手目視操控飛行過程，難免存在人為誤差，為了減少飛控手目視檢查所產(chǎn)生的誤差，可以通過LabVIEW平臺進行四旋翼飛行器飛行控制模擬及仿真，在軟件平臺上實現(xiàn)四旋翼飛行器飛行狀態(tài)信息的實時采集和性能評估。本文所設(shè)計的四旋翼飛行器姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，下位機采用STM32F103RBT6單片機和MPU-9250九軸傳感器采集四旋翼飛行器的實時飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，將采集到的數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸給上位機，上位機界面對采集的數(shù)據(jù)進行顯示、記錄、存儲、報警和回放等功能。打開子面板，可以查詢歷史數(shù)據(jù)，且對其數(shù)據(jù)進行誤差分析。

1 總體方案設(shè)計

四旋翼飛行器姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，姿態(tài)監(jiān)測的四個參數(shù)分別是：飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。

MPU-9250九軸傳感器將采集到的參數(shù)傳輸給STM32F103RBT6單片機進行處理，WIFI通信模塊連接上位機LabVIEW監(jiān)測平臺，完成實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和閾值觸發(fā)報警等功能。

1.1 MPU-9250傳感器驅(qū)動電路

MPU-9250傳感器采用SPI通信方式和STM32單片機進行通信，驅(qū)動電路圖如圖2所示。在STM32單片機中將PA1管腳配置成SPI1_SCK，將PA6配置成SPI1_MOSI，將PA7配置成SPI1_MISO，PA2管腳配置成片選管腳來選中MPU-9250傳感器。

1.2 STM32F103RBT6單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)包括電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路和啟動電路。

1.2.1 電源電路

供電電路圖3所示，電源供電部分采用3.7 V鋰電池進行供電，由于MCU和MPU九軸傳感器為3.3 V供電，所以電源電路中采取SP6205將3.7 V電壓輸入進行降壓至3.3 V給其供電。

圖3 電源電路

1.2.2 時鐘電路

時鐘電路共提供兩個時鐘源，其中Y2為32.768 kHz晶振，為RTC提供時鐘，Y1為8 MHz晶振，為整個系統(tǒng)提供時鐘。

1.2.3 復(fù)位電路

復(fù)位電路采用按鍵和保護電容構(gòu)成復(fù)位電路，在CPU無法正常工作時，按下按鍵，可以進行物理復(fù)位CPU。

1.2.4 啟動電路

啟動電路如圖4所示，BOOT1和BOOT2來決定啟動模式，BOOT1接電平，并且和BOOT2通過插針連接，通過跳線可以配置三種不同的模式。

圖4 啟動電路

1.3 WIFI通信模塊

WIFI通信模塊電路圖如圖5所示，其中，PA9是串口1的發(fā)送管腳，PA10是串口1的接收管腳。

圖5 WIFI通信模塊電路圖

2 軟件主程序設(shè)計

四旋翼飛行器姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計采用圖形化編程軟件LabVIEW，主要實現(xiàn)功能：(1)實時采集飛行姿態(tài)四個關(guān)鍵參數(shù)，并對參數(shù)進行顯示、處理、存儲、報警和回放；(2)若采集到的數(shù)據(jù)超過預(yù)先設(shè)置的閾值，觸發(fā)報警；(3)對歷史數(shù)據(jù)進行回放，方便查詢不同時刻的歷史記錄。

監(jiān)測系統(tǒng)主程序流程如圖6所示，系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)采集時間間隔、參數(shù)閾值，將采集到的數(shù)據(jù)實時顯示在軟件界面，系統(tǒng)軟件對實時數(shù)據(jù)進行處理。當飛行高度、速度值超過預(yù)先設(shè)定的閾值，則觸發(fā)報警并顯示，軟件系統(tǒng)重新發(fā)送飛行控制指令；當飛行高度、速度值沒有超過預(yù)先設(shè)定的閾值，則飛行繼續(xù)并進行數(shù)據(jù)采集、顯示等。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)主程序流程圖

3 姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)面板設(shè)計

姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分為兩個子面板，實時數(shù)據(jù)采集顯示子面板和歷史數(shù)據(jù)查詢回放子面板。

3.1 實時數(shù)據(jù)采集顯示子面板

實時數(shù)據(jù)采集顯示子面板由三個模塊組成：參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和指令發(fā)送模塊。主要包括參數(shù)設(shè)置、實時顯示波形、閾值設(shè)定及報警系統(tǒng)、開始保存按鈕、歷史數(shù)據(jù)回放按鈕和停止按鈕、指定參數(shù)設(shè)置及發(fā)送按鈕。

3.1.1 參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊包括端口號、波特率和數(shù)據(jù)位。建立與四旋翼飛行器通信的前提是必須設(shè)置好端口號，波特率設(shè)定為9 600 bps，數(shù)據(jù)位選擇為8位，讀取8位數(shù)據(jù)。連接無人機，指示燈亮，并顯示連接正常。此時數(shù)據(jù)采集開始，接受來自下位機的數(shù)據(jù)。

3.1.2 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊包括閾值設(shè)定、實時數(shù)據(jù)波形和報警指示。飛行高度顯示單位為m，閾值設(shè)定范圍0～6 000 m，每一小格代表500 m的高度變化，保留兩位有效數(shù)字。飛行速度顯示單位為km/h，閾值設(shè)定范圍0～400 km/h，每一小格代表25 km/h的速度變化，保留兩位有效數(shù)字。俯仰角和滾轉(zhuǎn)角顯示單位為(°)，閾值設(shè)定范圍-180°～180°，每一小格代表10°的角度變化。四個參數(shù)的縱軸數(shù)值最大值會隨著采集到的數(shù)據(jù)值進行改變，觸發(fā)閾值時數(shù)值不再改變且相應(yīng)報警指示燈亮起，四旋翼飛行器停止飛行并等待下一步指令，采集時間單位為s，設(shè)定采集時間間隔為1 s，橫軸每一小格代表20 ms的時間變化。采集時間間隔為1 s，每一小格代表20 ms的時間變化。

3.1.3 指令發(fā)送模塊

用戶可以在上位機界面自行設(shè)定四旋翼飛行器的參數(shù)，但是不能設(shè)定閾值，輸入的參數(shù)數(shù)值有效數(shù)字為兩位，飛行高度可輸入范圍為0～6 000.00 m，飛行速度可輸入0～400.00 km/h，俯仰角可輸入范圍為-180.00～180.00°，滾轉(zhuǎn)角可輸入范圍為-180.00～180.00°，相應(yīng)參數(shù)設(shè)置完成后點擊數(shù)值下方的按鈕即可將設(shè)定的參數(shù)數(shù)值發(fā)送給下位機，在完成指令發(fā)送之后，點擊“開始保存”按鈕，上位機開始對下位機采集到的數(shù)據(jù)進行實時保存，如果需要對歷史數(shù)據(jù)進行查看，點擊“歷史數(shù)據(jù)回放”，即可調(diào)用歷史數(shù)據(jù)查詢回放子面板，完成對歷史數(shù)據(jù)的回放和查看操作。

3.2 歷史數(shù)據(jù)查詢回放子面板

歷史數(shù)據(jù)查詢回放子面板包括四個參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)記錄及波形、讀取歷史數(shù)據(jù)表格按鈕及返回主頁按鈕。主要完成調(diào)取存儲在根目錄文件里的歷史數(shù)據(jù)的excel表格，同時顯示飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的歷史數(shù)據(jù)變化波形。

監(jiān)測系統(tǒng)工作步驟：

1)在實時數(shù)據(jù)采集顯示子面板上點擊“歷史數(shù)據(jù)回放”按鈕，即歷史數(shù)據(jù)查詢回放子面板開始工作。

2)點擊“點擊打開數(shù)據(jù)文件”按鈕，開始調(diào)取相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)以excel表格的形式存儲在文件里，同時以波形圖的形式顯示在前面板。

3)點擊“主頁”按鈕，返回實時數(shù)據(jù)采集顯示子面板，可以在觀察歷史數(shù)據(jù)的同時觀察實時數(shù)據(jù)的變化。

4 姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能測試

4.1 四旋翼飛行器起飛姿態(tài)模式

四旋翼飛行器起飛姿態(tài)模式如圖7所示，點擊“連接無人機”按鈕，設(shè)置上位機端口號和網(wǎng)絡(luò)測試助手端口號，選擇傳輸協(xié)議為“TCP Client”，設(shè)置實驗數(shù)據(jù)采集時間間隔為100 ms，開始采集實時數(shù)據(jù)。點擊“停止”按鈕，歷史數(shù)據(jù)以excel表格的形式自動保存至文件。由圖可見，四旋翼飛行器正處于起飛模式，飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角都呈遞增的趨勢。

圖7 四旋翼飛行器起飛姿態(tài)模式

4.2 四旋翼飛行器平穩(wěn)飛行姿態(tài)模式

四旋翼飛行器平穩(wěn)飛行姿態(tài)模式如圖8所示，當四旋翼飛行器加速起飛之后，說明系統(tǒng)運行正常，從177 s時刻開始給四旋翼飛行器發(fā)送指令，使其減緩加速上升，指令發(fā)送間隔為1 s，178 s時刻之后四旋翼飛行器減緩加速上升。當時間到達198 s時刻，飛行高度從3 033.95 m緩慢增加至3 036.23 m，飛行速度由230.00 km/h緩慢增加至231.99 km/h保持不變，俯仰角由73.00°緩慢增加至74.79°保持不變，滾轉(zhuǎn)角由81.00°緩慢增加至82.77°保持不變，四旋翼飛行器呈平穩(wěn)飛行的趨勢，處于平穩(wěn)飛行姿態(tài)模式。

圖8 四旋翼飛行器平穩(wěn)飛行姿態(tài)模式

4.3 四旋翼飛行器降落姿態(tài)模式

四旋翼飛行器降落姿態(tài)模式如圖9所示，系統(tǒng)給四旋翼飛行器發(fā)送指令，使其減速下降，指令發(fā)送間隔為1 s，199 s時刻起四旋翼飛行器逐漸減速。當時間到達220 s時刻，飛行高度從3 036.23 m緩慢降低至3 014.51 m，飛行速度由231.99 km/h緩慢減小至207.46 km/h，俯仰角由74.79°緩慢增加至-13.01°,滾轉(zhuǎn)角由82.77°緩慢減小至-23.54°。四旋翼飛行器呈減速下降的趨勢，處于降落姿態(tài)模式。

圖9 四旋翼飛行器降落姿態(tài)模式

4.4 四旋翼飛行器報警模式

四旋翼飛行器報警模式如圖10所示，觸發(fā)報警模式需要等待四旋翼飛行器一直加速上升，因此從303 s時刻開始采集數(shù)據(jù)。并記錄數(shù)據(jù)至324 s時刻，飛行高度從5 820.25 m增加至6 000.01 m，此時飛行高度大于預(yù)先設(shè)定的閾值。觸發(fā)報警，報警指示燈亮，四旋翼飛行器不再上升，上位機數(shù)據(jù)采集停止，飛行速度由381.25 km/h增加至400.01 km/h，此時飛行速度也大于預(yù)先設(shè)定的閾值，觸發(fā)報警，報警指示燈亮，不再提供加速動力，俯仰角由121.16°增加至139.54°，滾轉(zhuǎn)角由132.54°增加至149.21°。由于飛行高度和飛行速度觸發(fā)報警，上位機停止采集數(shù)據(jù)，此時四旋翼飛行器處于報警模式。

圖10 四旋翼飛行器報警模式

四旋翼飛行器在四種不同的姿態(tài)監(jiān)測模式下，其飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 四旋翼飛行器姿態(tài)監(jiān)測模式下的實時數(shù)據(jù)

4.5 四旋翼飛行器歷史數(shù)據(jù)回放模式

歷史數(shù)據(jù)回放模式如圖11所示，可以實現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲和回放，進而對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。在前面板中運行程序，點擊“開始保存”，采集結(jié)束后，打開“歷史數(shù)據(jù)回放”，即完成對歷史數(shù)據(jù)的回放。

圖11 四旋翼飛行器歷史數(shù)據(jù)回放模式

歷史數(shù)據(jù)回放模式顯示的四個參數(shù)的波形圖橫軸從第1格至第4格為起飛姿態(tài)模式，此時這四個參數(shù)均為遞增的趨勢；橫軸從第5格至10格為平穩(wěn)飛行姿態(tài)模式，此時四個參數(shù)的數(shù)值基本保持不變；橫軸從第11格至15格為降落姿態(tài)模式。此時四個參數(shù)的數(shù)值均為遞減趨勢；橫軸從橫軸第16格至19格為報警模式，此時四個參數(shù)的數(shù)值均為遞增趨勢，且飛行高度和飛行速度都超出閾值，觸發(fā)報警，數(shù)據(jù)停止采集。

實時數(shù)據(jù)進行采集的同時，監(jiān)測系統(tǒng)會以excel表格的形式自動將實時數(shù)據(jù)保存在相應(yīng)的根目錄。打開文件中的表格，四旋翼飛行器在姿態(tài)監(jiān)測模式下飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的歷史數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 歷史數(shù)據(jù)

5 測試結(jié)果分析

5.1 實時數(shù)據(jù)監(jiān)測

在完成系統(tǒng)軟件測試后，打開保存在文件夾中的歷史數(shù)據(jù)excel表格，見表3。8組連續(xù)的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，飛行高度從2 696.35 m至2 895.31 m，飛行速度從186.65 km/h至194.65 km/h，俯仰角從44.96°至50.64°，滾轉(zhuǎn)角從50.96°至57.21°。

表3 四旋翼無人機飛行姿態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)(8組)

5.2 系統(tǒng)誤差分析

為了使誤差分析更為精準，所以取多次采集到的數(shù)據(jù)的算術(shù)平均作為真實值，計算出各參數(shù)的絕對偏差和相對偏差的大小。飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的誤差分析見表4～7。

表4 飛行高度誤差分析

表5 飛行速度誤差分析

為了使誤差分析更為精準，取多次采集到的數(shù)據(jù)的算術(shù)平均作為真實值，計算出各參數(shù)的絕對偏差的大小。飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的絕對偏差擬合見圖13。

表6 俯仰角誤差分析

表7 滾轉(zhuǎn)角誤差分析

圖13 絕對偏差擬合圖

由圖13(a)可知，飛行高度從2 696.35 m變化至2 895.31 m時，其絕對偏差由-1.12%遞增至+1.07%；由圖13(b)可知，飛行速度從186.65 km/h變化至194.65 km/h時。其絕對偏差由-0.05%遞增+0.04%；由圖13(c)可知，俯仰角從44.96°變化至50.64°時，其絕對偏差由-0.03%遞增至至+0.03%；由圖13(d)可知，滾轉(zhuǎn)角從50.96°變化至57.21°時，其絕對偏差由-0.04%遞增至+0.04%。綜合分析，四個參數(shù)的絕對偏曲線圖差都呈遞增的趨勢，但是任一參數(shù)的相鄰兩組絕對偏差之間的差值小于0.5%，說明采集到的參數(shù)值接近于真實值。

6 結(jié)束語

本文研究的基于LabVIEW的四旋翼飛行器姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，下位機采用MPU-9250九軸傳感器和STM32F103RBT6單片機，上位機面板使用了數(shù)據(jù)顯示，波形圖表，報警指示燈等控件，利用WiFi通信 將上位機和下位機連接，下位機采集飛行高度、飛行速度、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，并將信號傳入上位機中。本系統(tǒng)測量范圍飛行高度：0～6 000 m；飛行速度：0～400 km/h；俯仰角：-180°～180°；滾轉(zhuǎn)角：-180°～180°。當采集到的數(shù)據(jù)值超過預(yù)先設(shè)定的閾值時，觸發(fā)報警，用戶可以在上位機子面板隨時查看和調(diào)取歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)經(jīng)過測試，設(shè)定采集時間間隔1 s，完成對采集數(shù)據(jù)的記錄、顯示、保存和回放，采集數(shù)據(jù)的絕對偏差值小于0.5%，實現(xiàn)了無人機的姿態(tài)監(jiān)測，滿足了控制小型四旋翼無人機的實際需要。