基于MPU6050模塊的模型火箭分離系統設計

河北農業大學食品科技學院 裴榮紅 王亞飛 鄭建樂

模型火箭自動分離返航是科研類全國航空航天模型錦標賽的重要比賽項目之一，其中自動分離是比賽的難點之一。為了使模型火箭能在準確的高度分離，論文以模型火箭為研究對象，提供一種基于MPU6050模塊的模型火箭定高分離系統設計，該系統采用STM-32F103ZET6作為主控芯片MPU6050模塊作為加速度傳感器。經過試驗測試該系統可以幫助模型火箭在準確位置開傘，達到設計要求。

引言：全國航空航天模型錦標賽有一項重要比賽稱之為“嫦娥奔月”，該項比賽要求模型火箭能在正確高度上實現開傘操作。目前比賽的參賽選手大多采用機械裝置或更改發射角度等方法來實現目標（白心愛,薛儒杰.基于STC89C51單片機的氣壓開傘設計[J].長治學院學報,2017,10）。不過這些方法精度較低且需多次實驗收集數據，由此造成成本居高不下，同時這些方法受環境因素的影響比較大，比賽時容易失敗。為了減少意外情況的出現提高模型火箭分離開傘裝置的可靠性，本文提出一種新型的采用STM32F103ZET6作為主控芯片MPU6050模塊作為加速度傳感器的分離系統設計。該系統與采用超聲波傳感器、紅外線傳感器的系統相比，具有更高的可靠性與成功率。

1 系統功能設計

本分離系統是由單片機以及3軸加速度模塊和舵機等組成。由于模型火箭載重有限，電源采用超輕鋰電池伺服系統采用銀燕9g舵機，重量輕的同時又能夠提供足夠的拉力與電力（邢博聞.加速度傳感器在模型火箭定高分離中的應用[J].科技技創新導報,2016,06）。當經單片機運算識別出模型火箭達到準確高度后通過I/O模擬的PWM脈沖波控制舵機旋轉使舵機輪旋轉90度將箭體與返回艙之間的鎖扣打開利用火箭安裝時壓縮的彈簧使返回艙與箭體分離。

2 系統硬件設計

模型火箭系統以意法半導體公司的STM32F103ZET6芯片為主控，結合MPU6050模塊可對模型火箭飛行中的加速度進行實時采集并進行姿態運算，尋找最佳開傘位置。MPU-6050使用I2C串行通信至系統處理器接口。與系統處理器通信時，MPU-6050始終充當從屬設備（康海,趙坤,劉書林.基于MPU6050模塊的飛行姿態記錄系統設計[J].電子設計工程,2015,5）。初始化MPU6050后采用定時器中斷以一定頻率讀取相關寄存器的數值就可以得到16位的三軸加速度AD值、三軸角速度用于求解姿態。

MPU6050簡介：MPU-6050當中含有三個獨立的振動MEMS速率陀螺儀，可檢測X軸，Y軸和Z軸的旋轉角度。當圍繞任何感應軸旋轉時，科里奧利效應就會產生電容式傳感器檢測到的振動。所得到的信號被放大，解調和濾波產生與角速度成比例的電壓。該電壓使用單獨的片內數字化16位模數轉換器（ADC）對每個軸進行采樣。

3 系統軟件設計

中控系統軟件流程如圖1所示，初始化系統與各個模塊，包括串口的初始化、定時中斷初始化、MPU6050初始化等。初始化完成之后打開定時器中斷以一定時間間隔讀取傳感器MPU6050中的16位的三軸加速度AD值、三軸角速度AD值。得到數據后經過姿態解算后判斷是否達到正確位置，達到正確位置后即打開鎖扣釋放降落傘。

圖1 中控系統軟件流程圖

姿態解算：Roll-pitch-yaw模型是表示飛行器當前飛行姿態的一個通用模型，就是建立如圖2所示坐標系，并用Roll表示繞X軸的旋轉，Pitch表示繞Y軸的旋轉，Yaw表示繞Z軸的旋轉。

圖2 通用模型坐標系

由于MPU6050可以獲取三個軸向上的加速度，由于地球重力是一個永久存在且恒定不變垂直向下的力，所以當我們求解姿態的時候可以以重力加速度為參考。為方便起見，我們讓芯片正面朝下固定在下圖飛機上，那么MPU6050的座標系與飛機的坐標系相同，加速度向量j(x，y，z)可以由分解在三個軸上的加速度分量構成。如果a垂直于地面向上那么飛機此時應當處于勻速直線運動狀態。即與Z軸負方向同向，大小為（應該與g相等且方向相反，）。若飛機發生翻轉，由于j仍然豎直向上，所以Z軸負方向將不再與j重合。Z軸正方向也就是機腹向下，X軸正方向也就是飛機前進方向（圖中的左面）。此時芯片的Roll角ψ就變成了j與其在XZ平面上投影（x，0z）的夾角，Pitch角ω就是j在YZ平面上投影(0，y，z)和加速度向量的夾角。求兩個向量的夾角可用點乘公式：，簡單推導可得：及由此就可以得到飛行器的大概姿態了。

4 總結

該模型火箭分離系統采用精度比較高的加速度傳感器配合強大的主控芯片為硬件平臺。解決了模型火箭無法準確可靠實現分離開傘操作的問題。該模型火箭分離系統已經在競賽中服役。實際應用表明模型火箭分離系統具有測試準確、穩定可靠、成本低廉等特點。達到了設計要求。