基于瑞薩單片機的四旋翼飛行控制系統

李紅燕

（西北民族大學 電氣工程學院，甘肅 蘭州 730124）

1907年，世界上第一架四旋翼飛行器升上天空。科技的快速發展和不斷創新，使其擁有更大的發展空間，自主四旋翼無人機在軍事、遠程偵察、監控等領域具有龐大的優勢。近年來，四旋翼無人機被認為是無人機應用與實踐最好平臺。四旋翼飛行器也稱為四旋翼直升機，是一種有4個螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器。相對的四旋翼具有相同的旋轉方向，分兩組，兩組的旋轉方向不同。與傳統的直升機不同，四旋翼直升機只能通過改變螺旋槳的速度來實現各種動作。

1 四旋翼自主飛行系統

圖1 四旋翼自主飛行系統構成圖

（1）主控制器。采用瑞薩單片機作為控制核心，8位×32個寄存器，內置高速片上振蕩器時鐘，最高頻率可達32MHz，內置單電源閃存，支持自編程功能。采用瑞薩MCU，瑞薩MCU是一種質量輕，引腳多，比較適合于控制多路選擇性接口的單片機，還可以根據用戶的設計要求來自動生成所需代碼。

（2）高空測距傳感器。使用超聲波傳感器測量四旋翼自主飛行器的飛行高度。超聲波對液體固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。采用紅外線測距傳感器，利用紅外線的物理性質來進行測量的傳感器，只要它本身有一定的溫度（高于絕零度）都能輻射紅外線，但是其傳感器受光的影響大，不可長距離測距。

（3）姿態檢測模塊。MPU6050整合三軸陀螺儀與三軸加速器于同一硅芯片上，對陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量。

2 系統理論分析與計算

（1）算術平均濾波連續取N次采樣值進行算術平均，其數字表達式如式（1）：

（2）重力加速度在三軸的分量與傾角關系如圖2所示，由此導出傾角解算公式：

圖2 三軸加速度分量與傾角關系

（3）陀螺儀計算角速度為：

式（2）中，Vref是陀螺儀計算角速度值，Gyro是陀螺儀采集到的數字量，Vref是模擬比較電壓值，D是采樣精度，Scale是陀螺儀比率系數，f是模擬電路運放的放大倍數。

（4）經過測算和推導，得出了PID的計算公式為u（t）=Kp在該飛行器系統中，PID各個參

數經過調試得出：K=1，P=300，I=0，D=125。

3 電路與程序設計

（1）系統總體框圖如圖3所示。

圖3 系統總體框圖

（2）高空測距系統框圖如圖4所示。

圖4 高空測距子系統框圖

（3）程序功能描述與設計思路。根據題目要求程序的主要功能為一鍵式啟動飛行器在不低于1m的高空處懸停5s然后降落，當手持飛行器與小車相距1m左右時，兩者發出明顯的聲光指示；飛行器一鍵式啟動從A區飛至小車8區上方，激光照射小車，整個時間不超過30s。

程序設計思路為四旋翼裝置是一個以自穩定為核心的四軸飛行器，因此需要陀螺儀控制電機來使四旋翼裝置在以平衡的前提下去完成所規定的功能，但是普通的輸出PWM波無法使四旋翼自穩，所以就需要PID算法配合陀螺儀來使四旋翼裝置達到基本要求。通過增加超聲波測距模塊使四旋翼在自穩的情況下可以通過程序來控制高度，并且還有檢測四旋翼裝置與小車的距離。

（4）程序工作流程。①系統上電與初始化；于系統配置周期函數，進入中斷程序；③通過傳感器獲取當前狀態參數；④MCU執行算法處理信息；⑤執行操作命令，飛行器姿態選擇；⑥進入模式一：起飛模式；否則進入模式二：懸停；否則進入模式三：跟隨小車飛行；否則，進入模式四：指點降落；⑦周期檢測當前狀態參數；⑧MCU矯正飛行姿態；判斷是否到達指定位置：是，結束；否，執行步驟③。

4 測試方案與結果

（1）硬件測試：四旋翼飛行器機架穩固性檢測，電路板連接情況調試。

（2）軟件仿真測試：控制電機信號的波形為方波，當飛行器的飛行姿態發生改變即MP6050檢測到角度變化時，波形發生改變。

（3）硬件軟件聯調：啟動并觀察飛行器的飛行姿態，利用控制變量法逐一調參數，使得飛行器達到題目要求。

表1 測試結果及分析

根據表1的測試數據，由此可以得出以下結論：①飛行器飛行高度最終穩定達到1m以上能夠懸停5s并且成功降落；于飛行器與小車相距0.5m～1.5m能發出聲光指示；③飛行器最終能飛至小車上方并懸停5s，激光能照射到小車，用時25s左右。

綜上所述，本設計達到設計要求。

5 結語

文章對四旋翼飛行器的系統設計與研究，成功實現了飛行器平穩飛行。文章用到了瑞薩芯片作為主控芯片，并且使用了超聲波測距傳感器，MPU6050陀螺儀傳感器，四旋翼飛行器不僅可以激發學生的創新思維，而且還可以培養學生對于計算機控制和空氣動力學的興趣。可以把控制理論與實際相結合，培養學生應用理論的能力和創新能力。文章提供了四旋翼飛行器的飛控系統，實現了測距飛行，還可以加上攝像頭拍照和圖像處理功能，使四旋翼多功能化。

參考文獻

［1］譚浩強.C語言程序設計［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［2］閻石.數字電子技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，2009.