基于ARM的μC OS-III的四旋翼飛行器的設計

余愿

摘 ? 要：在ARM平臺設計了一種基于μC/OS- III的四旋翼飛行器的控制系統，該系統選用STM32F103系列微控制器，采用MP1584EN降壓轉換器保證主控的供電穩定，PWM（Pulse Width Modulation）信號的占空比控制四個電機的轉速，以陀螺儀傳感器MPU6050為慣性測量單元，并通過互補濾波算法對獲取到的數據進行濾波處理，提高數據精度，實現了四旋翼飛行器在空中的平穩飛行和姿態控制。

關鍵詞：四旋翼飛行器 ?PWM ?互補濾波算法

中圖分類號：V249 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（b）-0006-03

四旋翼飛行器與傳統飛行器相比，具有結構簡單、載重能力強、成本低等優點，通過對四翼上的四個電機的控制就能實現垂直升降、空中翻滾、懸空停止的功能。四旋翼飛行器的結構比較靈活，可以小型化使其用于航拍、軍事偵察，同時又因能避免復雜的空氣動力學問題，可以大型化應用于遠程物資運輸、農業播種，地質勘測等。四旋翼飛行器既能完成在室外高空的任務，又能實現室內狹小空間的飛行，擺脫了傳統飛行器對任務環境的苛刻要求，具有非常廣泛的應用前景。

1 ?飛行原理

四旋翼飛行器機械結構簡單，通過控制四個電機帶動旋翼的旋轉變化產生升力，系統輸入量包括四個電機的轉速，輸出量是在X、Y、Z三個方向上平移和旋轉的六個自由度，飛行姿態由電機速度控制實現[1]。

根據四旋翼飛行器飛行方式不同，按結構分為X型和十字型兩種。在這兩種飛行模式下，其動力配置方式都是一樣的;飛行器對向的電機轉向相同，另一對向的電機轉向相反，即相鄰的電機轉向總是相反的，目的是為了抵消電機運行時產生的陀螺效應。本次設計采用X型結構，示意圖如圖1所示。

（1）垂直運動：垂直運動即飛行器高度控制，控制四個電機的輸出功率來改變螺旋槳產生的拉力，當拉力大于飛行器重力時，飛行器可垂直上升，反之，飛行器垂直下降，當拉力與重力相等時，飛行器懸空停止[2]。

（2）俯仰運動：如圖2所示，電機M1、M2降低轉速，M3、M4增加轉速，飛行器前后旋翼產生的升力不同，飛行器由于不平衡力矩存在就會沿著中心軸線翻轉，飛行器表現為做俯仰運動。同時，飛行器旋翼傾斜后其拉力產生了水平的一個分量，飛行器表現為朝前方飛行。同理，電機M1、M2轉速上升，飛行器即向后運動。

（3）橫滾運動：與俯仰運動原理相同，電機M1、M3增加轉速，M2、M4降低轉速，飛行器呈橫滾狀態向左飛行，反之亦然。

（4）偏航運動：在旋翼過程中的空氣阻力所產生的扭矩與旋轉方向是相反的，所以在動力布局上是一組電機正轉，一組電機反轉，從而抵消四個電機扭矩。若要實現偏航運動，需調整四個電機的轉速，使其扭矩不平衡。如圖3所示，電機M1、M3逆時針旋轉，增加其轉速，降低M2、M4電機的轉速，飛行器就會沿著軸心順時針旋轉以克服扭矩不平衡，此時飛行器表現出航向發生了變化。其運動示意圖如圖3所示。

2 ?四旋翼飛行器硬件電路設計

2.1 飛行器主控系統設計

本設計將搭載實時操作系統，同時涉及到一些姿態轉換算法，濾波算法以及其他浮點運算處理，對芯片存儲和運算要求較高。因此，四旋翼飛行器的飛控核心單元選擇了STM32F103ZET6作為微控制器，它是一款高性能、低成本的嵌入式產品，芯片基于ARM Cortex-M3內核，采用2.0V-3.6V的直流電壓供電。

飛控系統硬件結構如圖4所示。

2.2 電源模塊

四旋翼飛行器系統主控芯片供電電壓為3.3V，傳感器供電電壓為5V，而系統電源采用一塊11.1V的3S動力鋰電池，因此需要設計兩種供電電路。系統采用MP1584EN降壓轉換器將11.1V的電池電壓降到5V電壓，采用AMS1117-3.3V電源穩壓芯片，AMS1117是一個正向低壓降穩壓器，內部集成過熱保護和限流電路，保證了主控的供電穩定。MP1584EN電路原理圖如圖5所示。

2.3 姿態測量模塊

姿態測量模塊采用了帶有三軸加速度計、陀螺儀以及電子羅盤的IMU慣性測量模塊;分別為三軸加速度計、陀螺儀傳感器MPU6050，以及電子羅盤HMC5883L;MPU6050模塊之間可直接通過I2C接口獲取姿態數據，將兩者的傳感器數據進行融合解算就可以得到姿態數據。姿態傳感器的電路原理圖如圖6所示。

2.4 遙控模塊

出于安全考慮，本設計采用成品2.4G七通道遙控器WFT07，遙控器是基于PPM（Pulse Position Modulation）編碼原理實現的;發射機發送一幀周期為20ms，包含多個周期為2ms，高電平時間為1～2ms的PWM波，7個通道就共有7路PWM波，所以一幀數據就有7個通道的數據信息，接收機接收到PPM編碼信號，通過移位寄存器解碼出7個通道的PWM信號，飛控再通過定時器的輸入捕獲功能通過I/O管腳來捕獲每個通道的PWM信號，解析出遙控器的打舵量，實現對飛行器的操控。

3 ?飛行器的軟件設計

3.1 系統任務調度

本系統在μC/OS-III下設計了五個任務：LED控制任務，姿態傳感器數據采集與姿態解算任務，遙控信號捕獲任務，電機輸出控制任務，與上位機數據通信任務，采用了優先級搶占式任務方式進行調度[3]。

系統上電后先初始化μC/OS-III，運行系統初始任務將飛行器上鎖，進入等待遙控解鎖信號。飛行器數據采集任務將讀取各傳感器數據，并對數據進行數字濾波處理，然后進行姿態解算，得到當前姿態數據并通過互斥信號量將解算完成數據的消息傳遞給電機輸出控制任務，電機輸出控制任務中包含了PWM信號輸出與PID算法控制;LED控制任務用來監測系統運行狀態，通過不同的閃爍方式表示不同的狀態;與上位機數據通信任務負責將飛行器的姿態數據，解析出的遙控數據，計算出的各個電機的輸出值以及飛行器狀態信息通過串口發送到上位機供調試分析。

3.2 飛控姿態數據處理

姿態傳感器測量得到的數據主要是由三軸加速度計和三軸陀螺儀組成的一組多傳感器數據，為了得到能夠反映飛行器相對于地理坐標系的姿態數據，還需要將采集到的數據進行融合處理得到歐拉角。從傳感器直接獲取的數據由于溫漂會產生偏差，數據經過濾波處理后再進行姿態解算，可以減少累積誤差。

互補濾波算法是針對陀螺儀的高頻特性和加速度計的低頻特性進行較好融合的一種解決方法。互補濾波對具有高頻噪聲的加速度計進行數字低通濾波，對具有低速積分漂移效應的陀螺儀數據進行數字高通濾波，兩種濾波器的濾波系數之和為1，最后可以得到一個比較準確的估計值，相對于單傳感器的數據，通過互補濾波結合兩種傳感器得到的姿態數據更為準確。互補濾波的算法結構如圖7所示。

當把陀螺儀和加速度計的數據輸入即可得到四旋翼飛行器的姿態信息，經過互補濾波后的姿態數據融合了加速度計的低頻數據和陀螺儀的動態數據，由此可見，互補濾波器具有結構簡單、計算量小的特點，十分適合當前的嵌入式系統。將互補濾波用計算機能夠處理的方式描述如下：

其中Angle為數據融合后的姿態角，α為陀螺儀置信系數，Angle_gyro為陀螺儀積分后的輸出角度，β為加速度計置信系數，Angle_acc為加速度計結算后輸出的角度[3]。

3.3 接收機信號捕獲

接收機接收來自遙控的2.4G信號，并解碼為PWM信號，通過使用定時器的輸入捕獲功能將捕獲到PWM信號。

飛控主控通過定時器捕獲到接收機的PWM信號，由于采用的是成品遙控，各個廠家對于無線接收機的輸出PWM信號有統一的行業標準，即輸出的PWM波為周期20ms，高電平有效范圍為0.9～2.1ms的波形;通過測量捕獲到的PWM波的高低電平的時間，來判斷當前通道的遙控器打舵量。

本設計采用的STM32的定時器可以配置為輸入捕獲模式，這種定時器模式將通過I/O管腳自動捕獲PWM波的上升沿與下降沿。

先將定時器配置為輸入捕獲模式，在t1時刻，捕獲到PWM的上升沿，定時器觸發中斷，定時器TIMx_CCR1和TIMx_CCR2復位后開始計數，在t2時刻，捕獲到PWM的下降沿，定時器觸發中斷，獲取此時定時器的TIMx_CCR1寄存器數值CNT1，在t3時刻，定時器再次捕獲到了PWM的上升沿，定時器觸發中斷，此時獲取到另一個TIMx_CCR2寄存器的值CNT2，至此定時器完成了一次PWM波的捕獲。

PWM波高電平時間=CNT1*計數周期T ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

PWM波的周期=CNT2*計數周期T ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

PWM波的占空比=PWM高電平時間/PWM波的周期 （4）

3.4 PWM電機控制信號輸出

本設計采用電子調速器驅動無刷電機，由定時器輸出可供電子調速器識別的PWM波的占空比來控制電機轉速。本設計用到的電子調速器為OPTO 18A電子調速器，兼容信號頻率為30～450Hz;通過配置STM32的一個定時器為PWM輸出模式，能夠產生四路獨立的PWM波形。

為了實現PWM方波信號的輸出，需要對定時器TIMx的寄存器進行配置，設置重裝載寄存器TIMx_ARR的值，計算方式為：

TIMx的頻率=時鐘/（TIMx_ARR-1） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

通過配置捕獲/比較寄存器TIMx_CCRx的值來確定PWM波形的占空比，其計算方式為：

占空比=（TIMx_CCRx/TIMx_ARR） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

定時器啟動后，CNT開始計數，并與CCRx寄存器的值相比較，當CCRx值

4 ?系統調試

調試四旋翼飛行器首先需要調試姿態傳感器的輸出數據是否正常，根據模塊手冊進行具體的配置，再MCU讀取數據分析數據。同時需要編寫上位機通信部分的代碼，測試與上位機的通信是否正常，能否正確解析出四旋翼下位機發出的各種數據。

在姿態傳感器獲取正常的姿態數據后，還需利用上位機的波形進行顯示分析。經過一系列的參數調試，最終飛行器能夠穩定的起飛，在空中平穩飛行，同時可以通過遙控器控制飛行器在三個維度上的姿態。

參考文獻

[1] 余單奕，嵇佳輝，郝立果.四旋翼飛行平臺控制系統設計[J]. 電子技術應用，2016（5）：29-32.

[2] 程煦，郭珊珊，陳華賓.基于STM32單片機的四旋翼飛行器設計[J]. 電子世界， 2017（3）：121-124.

[3] 符秀輝，趙茂鑫，周文俊.基于互補濾波算法的移動機器人姿態檢測[J]. 測控技術，2015（6）： 31-33.