小型無人機航姿測量系統的設計與實現

王樹叢 桂 勛 陳小平

(電子科技大學航空航天學院 成都 611731)

0 引 言

MEMS 陀螺是本世紀初研制出來并得到了廣泛應用的新型陀螺產品，它是一種采用微機械加工技術，集微型傳感器、微型執行機構以及信號處理和控制電路、接口、通信等于一體的微型器件［1-2］。陀螺儀作為常用慣性傳感器，常用于精確地感測與維持航姿，廣泛用于現代航空航天等國防工業以及汽車姿態測量與控制領域。無人機經常用于軍事偵察、電子干擾以及戰事評估等場合，隨著技術的成熟，近年來小型無人機在民用領域應用也日趨普遍，尤其是在航拍中越來越多地用到小型無人飛行器，要實現無人飛行器的自主航拍就需要其自身航姿機構提供精確的姿態信息，為無人飛行器的自主飛行提供實時、準確的航姿數據［3］。本文介紹了一種小型無人機航姿測量系統，該系統利用STM32F103ZET ARM 對三軸慣性傳感器ADIS16350 的數據進行采集，并通過數傳電臺把傳感器數據傳送到地面計算機進行靜動態測試，并對小型無人飛行器的姿態進行了估計與分析，實現了對其飛行姿態的精確測量。

1 系統設計

小型無人機姿態測量對測量裝置的體積和重量提出了嚴格要求，通過STM32F103ZET 與ADIS16350 連接，不需要再連接其他芯片，獲得了一個性能優異的小型無人機航姿測量的最小系統，并且通過現有低成本數傳電臺3DR Radio Telemetry，波特率57600bps，最大傳輸距離800 m。可以實現航姿數據傳送到地面計算機，便于測試和測量。系統硬件總體連接如圖1 所示。其中數傳電臺為USART接口。

圖1 系統硬件連接框圖

電路板部分原理圖如圖2 所示，W2 用于控制SPI 通信的通斷，S2 用于SPI 復位，PA4－PA7 為四線SPI 接口，P1插針為USART 接口，用于掛載數傳電臺。

ADIS1635x 系列的芯片，它的輸出實時漂移不超過0.015°/s;加上它內置溫度校準，溫度漂移時，輸出角度穩定度可達0.0005°·s－1/℃，這種高穩定度的陀螺適用于對無人機姿態進行精確測量的場合中［4］。它對電源電壓穩定度要求不高，在不同工作溫度下，也可以獲得很好的角度精度，比較適合于使用小型無人飛行器機載鋰電池提供供電電源，無需單獨搭載電源而增加飛行器有效載荷。

關于數據讀寫，ADIS1635x 提供一個串行外部接口(Serial Peripheral interface，SPI)，通過SPI，可以對芯片進行配置，通過讀取寄存器不同地址數據獲得運行狀態與測量結果等，芯片內部自帶高精度自校正的穩壓電路，外圍電路較少。圖3 是ADIS16350 的內部結構圖［5］。

2 硬件設計關鍵技術

2.1 ADIS16350 接口電路設計

搭建的硬件系統框圖如圖2 所示，主要芯片包括STM32F103ZET 和ADIS16350。STM32F103ZET 是一款增強型系列使用高性能的ARM?CortexTM－M3 32 位的RISC內核［6］，內置高速存儲器，自帶一個全速USB2.0 接口，三個SPI 接口，五個通用串行接口，可以方便與芯片相連，其接口的高速處理能力可保證ADIS16350 的輸出數據不會遺漏。同時豐富的接口資源也有利于以后擴展，搭載更多的有效載荷。

2.2 電源電路設計

電源模塊主要為STM32F103ZET、ADIS16350 和無線數據傳輸模塊供電。無人機機載鋰電池提供的11.2 V 電源經AS2830－5.0V 轉換為5 V，再經過AS2830－3.3 V轉換為3.3 V。其中，5 V 為ADIS16350 提供電源，3.3 V 為STM32F103ZET 提供電源。

2.3 SPI 接口配置

ADIS16350 作為從設備通過SPI 接口與外部通信，將測得無人機姿態數據結果輸出，通過STM32F103 對其內部的各寄存器進行設置，使用方式靈活。由芯片的datasheet可獲得ADIS16350 的SPI 讀時序圖［6］(見圖4)。

本系統中作為主控制設備的STM32F103ZET 片上提供了硬件SPI 端口，與以往使用SPI 接口轉換模塊實現相比，使得對于SPI 的總線操作變得非常簡單，只需配置對應的SPI 寄存器即可。

圖4 ADIS1635x 的SPI 讀時序

3 嵌入式軟件子系統設計

STM32F103 讀取陀螺數據程序流程圖如圖5 所示。系統上電后，首先進行STM32F103 初始化、SPI、USART 等硬件參數配置，隨后通過SPI 進一步配置ADIS16350 芯片的運行參數。陀螺啟動后，通過硬件中斷通知MCU 完成了數據采樣，MCU 利用SPI 接口對數據進行讀取并保存。此時讀取的數據是陀螺轉動的角速度，因此要獲得轉動的角度，需要進行一次積分運算［7］。積分運算時，要利用陀螺的量程配置寄存器SENS/AVG 和陀螺的輸出采樣數據的速率配置寄存器SMPL_PRD。積分運算可以獲得此次采集周期內角度的變化值，將該值和上次求的角度值求和，可獲得當前陀螺的實際角度弧度值。使用KeilμVision4 作為STM32F103ZET 的編程和程序下載IDE，編寫對陀螺儀數據讀寫控制程序及將陀螺儀數據傳給數傳電臺的程序。

圖5 STM32F103 讀取陀螺數據流程圖

航姿數據由數傳電臺傳到地面后要對接收到的數據進行讀取和顯示，這就需要編寫地面數傳電臺與計算機串口通信的程序。在本設計中將地面數傳電臺接收到的數據定義成一個14 字節的數據幀，用于數傳電臺和計算機之間交換數據和控制信息。

計算機從數傳電臺接收到數據后，首先搜索幀同步字，找到幀同步字后，從同步字開始，讀取連續的12 字節，12 字節數據內容包括ADIS16350 芯片的狀態字、當前角度值、陀螺輸出的溫度、數傳電臺接收到的來自地面數傳電臺的命令字、陀螺儀發出數據幀序號及幀校驗字。幀校驗字對這12 字節進行校驗和計算，若滿足校驗和關系，則接收完成了同步校驗。如果數據在傳輸中產生差錯或前一次不同步，則后續的幀會產生校驗失敗，同步控制流程如圖6 所示。

4 軟硬件系統驗證

將搭建的硬件系統放進小型無人飛行器，進行調試，達到對飛行器的航姿數據進行實際測量。

圖6 串口同步控制流程圖

地面測試:在地面保持飛行器靜止不動，測量在靜止狀態下的姿態輸出穩定度。配置陀螺的測量范圍為±300°/s，在常溫下，陀螺輸出偶爾有不超過0.1°s－1的角度漂移。將陀螺溫度提高至50°，輸出姿態出現單向漂移現象，靜止狀態下，角度漂移速度大約為0.5°/s，但在該溫度下，進行重新校準后，角度漂移恢復為正常狀態，沒有出現單向漂移現象。測得姿態數據顯示結果如圖7 所示。圖中橫軸為時間，單位秒(s)，縱軸為角度量值，單位為度(°);ACC 表示加速度，ROLL 為滾轉角加速度(x 軸向)，PITCH 表示俯仰角加速度(y 軸向)，Z 表示偏航角加速度(z 軸向);GYRO 表示角速度，ROLL 為滾轉角速度，PITCH 表示俯仰角速度，YAW 表示偏航角速度。

圖7 ±300°/s 測量范圍時的動態輸出

飛行測試:配置陀螺的測量范圍為±300°/s，1 min 內測得的ADIS16350 三個軸向的角速度、加速度和溫度曲線如圖7 所示，由于靜態時角加速度、角速度為定值，所以出現了輸出曲線重合的現象。在約30 s 時使飛行器繞x 軸進行滾轉運動，在約60 s 時使飛行器漸漸恢復到平飛狀態。測得姿態數據顯示結果如圖8 所示。

圖8 ±300°/s 測量范圍時的靜態輸出

實際調試測得電壓變化和溫度變化對于姿態測量的影響可以忽略不計。對測試結果影響比較大的地方是陀螺的安裝角度。因此，對精度要求很高的場合，在陀螺結構的設計與安裝中，需要嚴格控制安裝角度，iSensor?IMU 安裝技巧［8］和iSensor?IMU 快速入門指南和偏置優化技巧［9］兩個應用筆記提供了安裝方法參考，可以在安裝后，轉動若干圈，獲得實際角度與陀螺角度的相對比例，在上位機上對每次的角度變化量進行按比例的修正。

5 結 論

飛行姿態數據為無人飛行器自主飛行提供依據，只有精確測得飛行器的航姿參數才能提高飛行器自主飛行的安全性，實驗和應用表明，本設計實現的小型無人機航姿測量系統與以往航姿機構相比，實現了高精度航姿測量和設備小型化及輕型化，并且提高了系統在復雜環境下姿態測量的穩定性，可作為GPS 的輔助，在GPS 信號突然丟失的情況下保持速度測量功能，用于對GPS 或者INS 方位誤差的校正。

［1］Chih-Ming Sun .Implementation of a Monolithic Single Proof-Mass Tri-Axis Accelerometer Using CMOS-MEMS Technique ［J ］.IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，2010，57 (7):1670-1679.

［2］陳勤，范樹新，張維波.MEMS 傳感器的標準化現狀與發展對策［J］.傳感器與微系統，2007，26(8):6-8.

［3］唐建生，桂勛，陳小平.基于設計模式無人機通用MBIT 內核設計.計算機測量與控制.2012，20(3):590-562.

［4］陳國華，王剛.基于ADIS16255 MEMS 芯片陀螺儀的應用研究［J］.中國慣性技術學報，2008，16(4):480-483.

［5］Analog Devices Corporation.Programmable Low Power Gyroscope ADIS 1635x［EB/OL］.(2009-09)［2012-3-17］.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets_obsolete/OBSOLETE%20WATERMARK/ADIS16350_16355.pdf.

［6］STMicroelectronics.Medium-density Performance Line ARM-based 32-bit MCU with USB and 9 Communication Interfaces STM32F103xB［EB/OL］.(2011-04)［2012-3-17］.http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_ RESOURCES/TECHNICAL _ LITERATURE/DATASHEET/CD00191185.pdf.

［7］Marek Babiuch，Radim Farana，David Plandor.Usage of SPI interface in applications with MEMS components［J］.Acta Montanistica Slovaca，2008，Volume 13(1):178-182.

［8］Mark Looney.iSensor?IMU Mounting Tips［EB/OL］.(2009-09-10)［2012-04-10］.http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1045.pdf.

［9］Mark Looney.iSensor?IMU Quick Start Guide and Bias Optimization Tips［EB/OL］.(2009-09-10)［2012-04-10］http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1041.pdf.