四旋翼飛行器嵌入式陀螺儀數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

摘 要

本文以創(chuàng)新開發(fā)套件的小型四旋翼飛行器為實(shí)際對(duì)象，通過對(duì)陀螺傳感器L3G4200D采集原始數(shù)據(jù)以及整合三軸加速度計(jì)LIS3DH的一段經(jīng)過測(cè)試的配置信息，用于配合運(yùn)行控制算法和處理從慣性導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸過來的姿態(tài)信息。通過多次調(diào)試控制算法，進(jìn)行多次飛行試驗(yàn)，該芯片配置數(shù)據(jù)可以有效滿足穩(wěn)定飛行數(shù)據(jù)采集的功能。

【關(guān)鍵詞】四旋翼飛行器 STM32F103 陀螺傳感器L3G4200D 加速度計(jì)LIS3DH

1 引言

四旋翼飛行器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)垂直的起降，并在空中可以隨時(shí)通過調(diào)整飛行姿態(tài)來改變飛行方位的飛行器。四旋翼飛行器利用旋翼轉(zhuǎn)向在前后與左右的反相，來抵消反扭力矩，從而保持機(jī)體的平衡。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)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(yōu)勢(shì)，因此其在現(xiàn)代社會(huì)諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括攝影航拍、電網(wǎng)線路巡檢、環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)、農(nóng)林施肥作業(yè)等。

目前四旋翼飛行器主要分為遙控器進(jìn)行的遙控型和自主控制的自主飛控型兩種。針對(duì)四旋翼飛行器控制技術(shù)的主要集中在兩大熱點(diǎn)研究領(lǐng)域：一個(gè)是基于慣性導(dǎo)航的自主控制系統(tǒng)，另外一個(gè)是基于視覺飛行的自主控制系統(tǒng)。

2 嵌入式陀螺儀數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器在空中自主、持續(xù)飛行，同時(shí)可以保證飛行過程中的姿態(tài)穩(wěn)定和平穩(wěn)飛行。本文采用一套自主開發(fā)基于STM32F103主控的飛行控制系統(tǒng)對(duì)陀螺傳感器L3G4200D采集原始數(shù)據(jù)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，整套控制系統(tǒng)主要分為姿態(tài)控制系統(tǒng)、加速度控制系統(tǒng)和高度控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)均搭載在硬件平臺(tái)上。

2.1 飛控硬件平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器的硬件平臺(tái)主要分為兩大部分，第一部分是慣導(dǎo)平臺(tái)的電路設(shè)計(jì)，它是采集飛行器機(jī)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息的作為控制系統(tǒng)控制的重要的信息依據(jù)。慣導(dǎo)平臺(tái)的反饋精度直接影響到控制系統(tǒng)的控制精度。第二部分是主控芯片的電路設(shè)計(jì)。慣導(dǎo)平臺(tái)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(xì)加工工藝制造，通過IC接口技術(shù)構(gòu)成一個(gè)CMOS型的專門電路并留有數(shù)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(shè)計(jì)的重點(diǎn)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(tài)處理芯片的SPI通信。加速度計(jì)選取的是LIS3DH，是一款低功率的三軸加速度計(jì)。主控芯片和姿態(tài)處理芯片釆用的是STM32F103，進(jìn)行飛行控制和姿態(tài)信息的處理。姿態(tài)控制系統(tǒng)采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制飛行器的姿態(tài)角，整個(gè)系統(tǒng)采用改進(jìn)型負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。

2.2 飛行器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文的四旋翼飛行器的軟件系統(tǒng)主要完成飛控主板和PC端無線遙控部分的程序設(shè)計(jì)，軟件程序是在集成編譯環(huán)境Keil MDK-ARM下由C語言編程實(shí)現(xiàn)。飛控主板程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示，主要操作包括首先開機(jī)對(duì)無線模塊、L3G4200D、LIS3DH以及PWM電機(jī)等進(jìn)行初始化，再對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的慣性測(cè)量單元IMU進(jìn)行零偏調(diào)整，然后設(shè)置無線接收模塊等待對(duì)解鎖輸入信息的判斷，最后如果解鎖成功，則對(duì)IMU讀取出來的簡(jiǎn)單的加速度、陀螺儀角速度的原始數(shù)據(jù)作處理得到本系統(tǒng)想要得到姿態(tài)角度，從而進(jìn)行PID電機(jī)控制，并通過飛控板上ADC實(shí)時(shí)獲取板上供電電壓參數(shù)以便于自動(dòng)返航情況處理。其中L3G4200D初始化及數(shù)據(jù)采集操作主要有：寄存器配置、數(shù)據(jù)輸出速率配置、工作模式設(shè)置、三維坐標(biāo)軸采集參數(shù)設(shè)置、高通濾波器使能啟動(dòng)和數(shù)據(jù)量程設(shè)定等。

飛控程序中使用定時(shí)器中斷的方式對(duì)時(shí)間進(jìn)行處理，每0.5ms中斷一次，通過對(duì)中斷標(biāo)志位的查詢結(jié)合不同時(shí)間的間隔來分別處理優(yōu)先級(jí)不同的任務(wù)，每次中斷后立即檢查無線模塊的接收數(shù)據(jù)，確保飛控主板控制信息的實(shí)時(shí)性。每2次中斷即1ms獲取一次IMU單元的原始數(shù)據(jù)并作濾波處理獲得較為準(zhǔn)確的系統(tǒng)加速度、角速度的當(dāng)前數(shù)據(jù)。每4次中斷即2ms測(cè)量并計(jì)算當(dāng)前飛控主板的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，與PC機(jī)遙控端的目標(biāo)姿態(tài)一起求取差值再通過PID控制算法對(duì)各個(gè)電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制。每200次中斷即100ms，飛控系統(tǒng)由STM32F103的ADC通道采集一次主板供電電壓，并把供電電壓實(shí)時(shí)參數(shù)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(dòng)作轉(zhuǎn)化成信號(hào)傳給飛控主板，并且實(shí)時(shí)顯示PC端當(dāng)前所執(zhí)行的控制信息和飛控主板返送的飛行姿態(tài)及供電電壓參數(shù)等信息。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)作過程

使用PC機(jī)發(fā)送控制指令，發(fā)送到機(jī)體的飛控板STM32_CONTROL上。飛控板通過接收姿態(tài)處理板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息和PC機(jī)的控制指令進(jìn)行控制算法的處理，得出控制要求的PWM波。PWM波經(jīng)過電調(diào)的處理產(chǎn)生出占空比符合PWM波的電壓信號(hào)輸入四個(gè)電機(jī)。根據(jù)電壓的變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化引起機(jī)體的姿態(tài)信息的變化。陀螺儀和加速度計(jì)組成的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)， 用計(jì)算機(jī)把測(cè)量信號(hào)變換為導(dǎo)航參數(shù)，測(cè)量機(jī)體的姿態(tài)信息，陀螺儀測(cè)出機(jī)體的姿態(tài)角速度，加速度計(jì)測(cè)出機(jī)體的線加速度。陀螺儀使用SPI總線傳輸?shù)阶藨B(tài)處理芯片進(jìn)行姿態(tài)信總的處理得出飛行器的姿態(tài)角度和角速度和線加速度傳輸?shù)絊TM32F103中。

3 結(jié)果分析

本文的系統(tǒng)可以較好的實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器嵌入式陀螺儀數(shù)據(jù)采集，從IMU獲取并作濾波算法處理后的L3G4200D、LIS3DH數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，并完成了四旋翼飛行器飛行姿態(tài)的穩(wěn)定控制以及自動(dòng)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(wěn)定控制研究奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介

陳新銳（1982-），男，廣西壯族自治區(qū)北海市人。碩士研究生學(xué)歷。現(xiàn)為北海職業(yè)學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理及嵌入式應(yīng)用開發(fā)。

作者單位

北海職業(yè)學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)北海市 536000