一種基于DE1—SOC的四軸飛行器系統設計

魏洋+梁偉

摘 要： 利用軟硬件協同設計思想，本文設計了基于DE1-SOC的四軸飛行器系統。DE1-SOC是 Altera公司的一款高性能嵌入式微處理器，集成了 ARM Cortex-A9和 FPGA 的雙核資源。在進行四軸飛行器系統設計時，對硬件平臺和功能任務進行合理的規劃，充分發揮DE1-SOC軟硬件協同設計的優勢。一方面利用 ARM 核執行靈活度較高的運算任務，包括飛行器飛控程序，飛行器的姿態解算和電機控制信號輸出等 ；另一方面利用 FPGA 核實現基本邏輯和高速接口，包括遙控器信號解碼、傳感器數據接口以及電機控制等。為四軸飛行器的研發提出一種新思路。

關鍵詞：FPGA 四軸飛行器

中圖分類號：TP249 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）02-0285-01

一、飛行器系統硬件平臺設計

整個四旋翼飛行器的飛控系統由集成控制中心 ARM 和邏輯中心 FPGA 的DE1-SOC組成。ARM、FPGA、存儲器以及其他各種通信接口均連接在片內的總線上，其中 ARM是飛控系統浮點數計算與資源管理的處理系統（Processing system，PS），完成傳感器數據濾波、四元數解算、姿態數據輸出、PID 控制等任務 ；FPGA 是飛控系統外部數據接口的可編程邏輯（Programmable Logic，PL），將完成特定功能任務的模塊進行 IP 核定制，并掛接在 AXI 總線上，完成傳感器數據讀取、遙控信號解碼以及電調信號輸出等任務，為系統的實時性控制提供有力保障。飛控平臺有豐富的外設資源，IIC 模塊用于姿態傳感器的數據接口 ；核心模塊由運算處理能力更強的ARM部分實現，包括飛控主程序模塊與無線數據傳輸模塊等；PL 與 PS 之間的信息傳遞通過高速總線實現。遙控器信號經解碼后送到 PL 中，飛控系統根據解析出的遙控器指令對飛行姿態進行調整。六軸傳感器 MPU6050與 PL 相連，IIC模塊實現對傳感器數據的讀取，然后通過總線將數據送到ARM的飛控系統中進行姿態解算等。飛控系統根據對傳感器數據處理的結果以及 PID 控制器調節作用，產生4路 PWM 占空比信息，通過總線分別傳給各 PWM 波產生模塊，最終產生4路 PWM 控制4路電機的轉速，以調整飛行器的飛行姿態。

二、飛控系統軟件程序設計

飛控系統的核心算法程序運行在 ARM 內核中，主要完成飛行器的姿態解算，以及控制命令與 PID 控制器對運動進行控制.飛控系統上電后進行初始化，初始化完成后等待定時器中斷，定時器中斷周期是2ms。定時器中斷到來后，首先進行加速度計和陀螺儀的零偏校準，然后等待遙控器指令 ；判斷遙控器是否發出飛行指令，若發出起飛指令，則飛控主程序解鎖，進入飛控主程序中 ；否則返回，等待下一次中斷。飛控主程序解鎖后，首先進行傳感器數據的讀取，對傳感器數據進行卡爾曼濾波、修正等 ；修正后的 MPU6050傳感器數據，利用四元數法進行俯仰角（pitch）和橫滾角（roll）的解算，利用基于磁力計傾斜補償的偏航角算法進行偏航角（yaw）的解算；解算出的三個姿態角與設定的值進行作差比較，在下一次中斷時，通過 PID 控制算法調整輸出油門的大小，即輸出四組新的 PWM波參數，結束當前控制周期，跳出中斷，等待下一次中斷。輸出的 PWM 波信號控制 PWM 波模塊產生相應的 PWM 波，驅動電機控制旋翼的轉速，進而實現對飛行姿態的調整。