四旋翼飛行器嵌入式陀螺儀數據采集設計

摘 要

本文以創新開發套件的小型四旋翼飛行器為實際對象，通過對陀螺傳感器L3G4200D采集原始數據以及整合三軸加速度計LIS3DH的一段經過測試的配置信息，用于配合運行控制算法和處理從慣性導航系統傳輸過來的姿態信息。通過多次調試控制算法，進行多次飛行試驗，該芯片配置數據可以有效滿足穩定飛行數據采集的功能。

【關鍵詞】四旋翼飛行器 STM32F103 陀螺傳感器L3G4200D 加速度計LIS3DH

1 引言

四旋翼飛行器是一種能夠實現垂直的起降，并在空中可以隨時通過調整飛行姿態來改變飛行方位的飛行器。四旋翼飛行器利用旋翼轉向在前后與左右的反相，來抵消反扭力矩，從而保持機體的平衡。在現實應用中，由于小型多旋翼飛行器具有其它飛行器所無法比擬的優勢，因此其在現代社會諸多領域得到廣泛應用，包括攝影航拍、電網線路巡檢、環境保護監測、農林施肥作業等。

目前四旋翼飛行器主要分為遙控器進行的遙控型和自主控制的自主飛控型兩種。針對四旋翼飛行器控制技術的主要集中在兩大熱點研究領域：一個是基于慣性導航的自主控制系統，另外一個是基于視覺飛行的自主控制系統。

2 嵌入式陀螺儀數據采集的實現

為了實現四旋翼飛行器在空中自主、持續飛行，同時可以保證飛行過程中的姿態穩定和平穩飛行。本文采用一套自主開發基于STM32F103主控的飛行控制系統對陀螺傳感器L3G4200D采集原始數據部分進行設計，整套控制系統主要分為姿態控制系統、加速度控制系統和高度控制系統，控制系統均搭載在硬件平臺上。

2.1 飛控硬件平臺總體設計

四旋翼飛行器的硬件平臺主要分為兩大部分，第一部分是慣導平臺的電路設計，它是采集飛行器機體的運動狀態信息的作為控制系統控制的重要的信息依據。慣導平臺的反饋精度直接影響到控制系統的控制精度。第二部分是主控芯片的電路設計。慣導平臺本文選取陀螺傳感器L3G4200D，它是一種低功率的三軸陀螺傳感器，采用專門微細加工工藝制造，通過IC接口技術構成一個CMOS型的專門電路并留有數字接口（I2C/SPI），可以更好地跟傳感器元件匹配。陀螺傳感L3G4200D器硬件電路圖如圖1所示。硬件電路設計的重點在于芯片的輸入電壓及SPI總線的供電電壓均為3.3V和陀螺傳感器與姿態處理芯片的SPI通信。加速度計選取的是LIS3DH，是一款低功率的三軸加速度計。主控芯片和姿態處理芯片釆用的是STM32F103，進行飛行控制和姿態信息的處理。姿態控制系統采用基于神經網絡的PID控制飛行器的姿態角，整個系統采用改進型負反饋結構。

2.2 飛行器系統的軟件設計

本文的四旋翼飛行器的軟件系統主要完成飛控主板和PC端無線遙控部分的程序設計，軟件程序是在集成編譯環境Keil MDK-ARM下由C語言編程實現。飛控主板程序設計流程圖如圖2所示，主要操作包括首先開機對無線模塊、L3G4200D、LIS3DH以及PWM電機等進行初始化，再對整個系統的慣性測量單元IMU進行零偏調整，然后設置無線接收模塊等待對解鎖輸入信息的判斷，最后如果解鎖成功，則對IMU讀取出來的簡單的加速度、陀螺儀角速度的原始數據作處理得到本系統想要得到姿態角度，從而進行PID電機控制，并通過飛控板上ADC實時獲取板上供電電壓參數以便于自動返航情況處理。其中L3G4200D初始化及數據采集操作主要有：寄存器配置、數據輸出速率配置、工作模式設置、三維坐標軸采集參數設置、高通濾波器使能啟動和數據量程設定等。

飛控程序中使用定時器中斷的方式對時間進行處理，每0.5ms中斷一次，通過對中斷標志位的查詢結合不同時間的間隔來分別處理優先級不同的任務，每次中斷后立即檢查無線模塊的接收數據，確保飛控主板控制信息的實時性。每2次中斷即1ms獲取一次IMU單元的原始數據并作濾波處理獲得較為準確的系統加速度、角速度的當前數據。每4次中斷即2ms測量并計算當前飛控主板的運動姿態，與PC機遙控端的目標姿態一起求取差值再通過PID控制算法對各個電機進行PWM調速控制。每200次中斷即100ms，飛控系統由STM32F103的ADC通道采集一次主板供電電壓，并把供電電壓實時參數返送給PC端。 PC端無線遙控部分的程序功能就是把遙控端的操作動作轉化成信號傳給飛控主板，并且實時顯示PC端當前所執行的控制信息和飛控主板返送的飛行姿態及供電電壓參數等信息。

2.3 系統運作過程

使用PC機發送控制指令，發送到機體的飛控板STM32_CONTROL上。飛控板通過接收姿態處理板的運動狀態信息和PC機的控制指令進行控制算法的處理，得出控制要求的PWM波。PWM波經過電調的處理產生出占空比符合PWM波的電壓信號輸入四個電機。根據電壓的變化，電機的轉速變化引起機體的姿態信息的變化。陀螺儀和加速度計組成的捷聯式慣性導航系統， 用計算機把測量信號變換為導航參數，測量機體的姿態信息，陀螺儀測出機體的姿態角速度，加速度計測出機體的線加速度。陀螺儀使用SPI總線傳輸到姿態處理芯片進行姿態信總的處理得出飛行器的姿態角度和角速度和線加速度傳輸到STM32F103中。

3 結果分析

本文的系統可以較好的實現四旋翼飛行器嵌入式陀螺儀數據采集，從IMU獲取并作濾波算法處理后的L3G4200D、LIS3DH數據準確有效，并完成了四旋翼飛行器飛行姿態的穩定控制以及自動循跡返航。這就為接下來六旋翼或八旋翼等多旋翼飛行器的穩定控制研究奠定了理論和實踐基礎。

參考文獻

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作者簡介

陳新銳（1982-），男，廣西壯族自治區北海市人。碩士研究生學歷。現為北海職業學院講師。主要研究方向為數字信號處理及嵌入式應用開發。

作者單位

北海職業學院 廣西壯族自治區北海市 536000