無人機多軸姿態傳感器采集與處理

徐力 四川大學錦江學院

1 引言

隨著民用無人機的使用范圍迅猛發展，比較有代表性的產品就是航拍系統 。利用無人機進行攝像，可實現不同于人眼角度的拍攝效果。因此研究無人機的飛控系統，飛控系統的硬件設計、飛行器的相關數據測量技術以及飛行器的自動化控制，占據很大市場，具有較強的經濟效益。無人機控制系統設計以及檢測與控制技術設計多個學科、多個領域，是綜合技術的交叉使用。無人機多姿態采集的研究有可能在某些層面上取得新的突破， 因此對無人機多姿態的數據采集具有很強的理論意義。

2 系統方案設計

2.1 系統整體框圖

總體框圖采用兩顆STM32單片機芯片，分別為STM32F103ZE和STM32F407ZG。STM32F103ZE用 于 無人機飛控板上，對無人機的環境狀態進行數據采集。然后通過nRF24L01無線傳輸模塊發送給地面上的從機接收設備。從機接收設備采用STM32F407ZG作為控制芯片。從機通過WiFi模塊將數據發送到網絡服務器中方便在電腦上查看系統狀態。

2.2 系統設計可行性分析選擇

2.2.1 主控模塊

方案一：選用STM32系列嵌入式芯片使用8M晶振經過PLL鎖相環倍頻可提供72M系統時鐘和32.768K晶振作為RTC實時時鐘[5] ，共144引腳，1Mflash，196kbSRAM,多串口、支持SPI、IIC等多種通訊方式。可滿足復雜的系統設計并可以使用RT-Thread、uC/OS等實時操作系統。

方案二：選用STC系列單片機該芯片采用處理器1T單時鐘/ 機器周期，指令代碼完全兼容傳統8051 、工作電壓5V、用戶應用程序存儲空間 60KFlash、1280 字節 RAM。內置A/D 轉換模塊, 共8 路，10 位精度ADC，轉換速度可達250K/S，價格低廉。

因為我們所做系統較為復雜比較以上二種方案，很容易看出，采用方案一，芯片功能強大，軟件設計也比較簡單，故采用了方案一，采用STM32F103ZE。

2.2.2 RFID收發模塊

方案一：選用NRF24L01，其工作在2.4GHz~2.5GHz頻段。具有輸出功率大和通信頻道可以通過配置寄存器來實現等優點。該模塊工作的功耗比較小，而且有很多模式可以切換，使用方便，它是一個比較常用的無線傳輸模塊。

方案二：選用主控芯片為CC1101的433M無線收發模塊 。該無線收發模塊的天線輸入端有選頻電路，主要工作在315MHz和433MHz。該模塊接收靈敏度高，功耗極低，工作電壓為5V，直接由單片機供電。除此以外，它的芯片設計和電路設計都非常優秀，抗干擾能力也非常強，穩定性好。

比較以上兩個方案433M模塊有很多優點，如抗干擾能力強、功耗很低、穩定性好等,雖然CC1101有很多優點但傳輸距離不滿足設計要求。因此，選擇方案一中的NRF24L01作為無線傳輸模塊。

2.2.3 GPS模塊

方案一：選用ubox m8n模塊，m8nGPS模塊 具有體積小、功耗低、支持全球四大衛星定位系統等特點，但價格稍貴。

方案二：選用ATGM332D模塊。該模塊同樣支持全球四大衛星定位系統，且板載E2PROM可設置保存波特率等信息，且價格實惠。

故選用ATGM332D模塊，完全滿足設計要求。

2.2.4 加速度傳感器模塊

方案一：選用GY521模塊，GY521使用MPU6050芯片，可輸出三軸陀螺儀數據和三軸加速度數據。通訊方式采用標準的IIC通訊協議。內置16位AD轉換器，16位數據輸出。

方案二：選用GY953模塊，GY953使用MPU9250芯片，可輸出三軸陀螺儀 數據、三軸加速度數據、歐拉角數據和磁力計數據。通訊方式采用可選擇SPI通信協議或者串口通訊協議。

由此可以看出GY953的功能更加齊全，所以這里選用GY953模塊，通訊方式使用串口通訊。

3 多姿態采集系統程序設計

3.1 GPS模塊程序設計

因為GPS模塊采用串口通訊，硬件設計為串口1所以首先初始化串口void uart_init(u32 bound)；將PA9、PA10引腳設置為復用。設置波特率為115200。然后編寫了一個串口數據解析函數void parseGpsBuffer()；串口發送來的數據為字符串類型，所以可以使用strstr（）；函數進行字符串拆分，得到系統采樣時間以及經緯度信息。

3.2 九軸傳感器模塊程序設計

九軸傳感器硬件設計同樣為串口通訊方式，初始化引腳為串口通訊方式后，讀取九軸傳感器數據采用查詢的方式進行數據請求。當GY953模塊接收到數據請求時，會將相應的數據信息發送給MCU。MCU讀取數據緩存區即可獲得需要的傳感器數據。

3.3 軟件算法設計

本設計一個使用了兩個算法，一個是卡爾曼算法，一個是PID算法。因為系統數據采集過程中避免不了噪聲的干擾，所以程序設計了卡爾曼濾波算法利用動態信息有效的去除噪聲干擾，得到可靠的預估值。PID算法是使用是為了能夠根據采集到的姿態信息更加穩定的控制驅動電路，使飛行狀態更加平穩。

[1] 吳成富,馮喆,馬松輝.一種基于紅外傳感器的無人機姿態測量方法[D].學術論文:西北工業大學,2012

[2] 楊淑潔,曾慶雙,伊國興.低成本無人機姿態測量系統研究[J].傳感器與微系統,2012,(10).378-830