湯金萍，周雷，金阿鎖

　　(南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

        摘要：四旋翼飛行器是由4個(gè)帶槳葉電機(jī)驅(qū)動(dòng)并形成十字交叉結(jié)構(gòu)的一種飛行器。本試驗(yàn)是以MSP430F149單片機(jī)為主控芯片，搭建四旋翼飛行器控制系統(tǒng)。以MPU-6050傳感器獲取飛行器的姿態(tài)信息，經(jīng)過遞推濾波算法，得到可靠的姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過四元數(shù)融合算法，進(jìn)行姿態(tài)解算，獲得四旋翼飛行器的姿態(tài)角，然后借助PID控制算法，消除四旋翼飛行器在飛行過程中不可預(yù)測的誤差，最后，以PWM波的形式控制無刷直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的自平穩(wěn)控制。本試驗(yàn)完成了四旋翼飛行器的自平穩(wěn)控制系統(tǒng)，能夠基本實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的平穩(wěn)起飛與降落。

　　關(guān)鍵詞：MSP430；MPU-6050；歐拉角；四旋翼飛行器；閉環(huán)控制

　　中圖分類號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.20.002

　　引用格式：湯金萍，周雷，金阿鎖. 基于MSP430單片機(jī)的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（20）：9 12.

0引言

　　四旋翼飛行器是多旋翼飛行器中最常見、最簡單的一種。2010年世界首款四旋翼飛行器AR.Drone問世，它由法國Parrot公司發(fā)布。它的定位是一款高科技玩具，性能非常優(yōu)秀，輕便，很安全，容易控制，而且還能實(shí)現(xiàn)自懸停，拍攝圖像，并通過WiFi傳輸?shù)绞謾C(jī)上顯示。

　　DJI是眾多四旋翼飛行器公司中值得一提的公司之一。在早些年，DJI主要工作放在直升機(jī)的控制上，在AR.Drone問世后，DJI看到了四旋翼飛行器的市場，開始研究四旋翼飛行器產(chǎn)品。2012年，DJI相繼推出了幾款飛行器產(chǎn)品。在當(dāng)時(shí)AR.Drone的引領(lǐng)下，全球刮起了一股四旋翼飛行器商業(yè)化的熱潮。

　　2013年1月，DJI推出Phantom，如圖1所示。四旋翼飛行器被開發(fā)用作一個(gè)新領(lǐng)域——航拍?！癙hantom”的中文意思是精靈，與它的外形很相配。隨著Phantom的推出，四旋翼飛行器的市場也開始發(fā)生變化。Phantom很容易操作，沒有操控經(jīng)驗(yàn)的新手也可很快學(xué)會(huì)操作。與AR.Drone相比，Phantom的尺寸更大一些，在戶外飛行時(shí)，抗風(fēng)干擾的能力更強(qiáng)，Phantom還有GPS導(dǎo)航功能，可以飛行的范圍很大。Phantom最大的特點(diǎn)，就是可搭載攝像機(jī)。Phantom可通過連接架掛載GoPro運(yùn)動(dòng)相機(jī)，拍攝極限運(yùn)動(dòng)。Phantom可以從不一樣的視角拍攝，而且，與傳統(tǒng)的飛機(jī)航拍不同，它小巧、靈活，可以讓拍攝者自由控制角度。Phantom+GoPro拍攝模式的出現(xiàn)，讓四旋翼飛行器更有生機(jī)。說多旋翼飛行器重新定義了航拍，一點(diǎn)都不為過。

　　從現(xiàn)在的四旋翼飛行器市場來看，一部分是以AR.Drone為代表的玩具市場，另一部分就是以DJI Phantom、DJI S1000為代表的航拍飛行器市場［1］。著名的快遞公司順豐就進(jìn)行了多旋翼飛行器送快遞的實(shí)驗(yàn)。在一些人類活動(dòng)困難的地點(diǎn)，如火山口、沼澤地等，將多旋翼飛行器用于地質(zhì)勘測的情況也越來越多。軍事方面，多旋翼飛行器可以用于無人機(jī)偵察等。另外，多旋翼飛行器還可以用作森林防火監(jiān)控、高速公路車輛監(jiān)控、公共領(lǐng)域現(xiàn)場監(jiān)控等。

1總體方案

　　1.1四旋翼飛行器基本結(jié)構(gòu)

　　四旋翼飛行器是由4個(gè)帶槳葉電機(jī)驅(qū)動(dòng)并形成十字交叉結(jié)構(gòu)的一種飛行器，本試驗(yàn)的四旋翼飛行器采用十字飛行方式，電機(jī)1為正前方，由此確定前后、左右。4個(gè)電機(jī)分別安裝在十字結(jié)構(gòu)的4個(gè)頂點(diǎn)，由此形成的四個(gè)旋翼結(jié)構(gòu)相同，兩兩對(duì)稱［2］。飛行控制器和電池被安裝在中間交叉點(diǎn)位置。四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

　　1.2運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析

　　四旋翼飛行器由四個(gè)旋翼共同提供升力，通過改變4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)4個(gè)旋翼的升力，由此控制飛行器的姿態(tài)和飛行方向。四旋翼飛行器一共有6個(gè)自由度，4個(gè)力輸入，6個(gè)狀態(tài)輸出，因此它是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［3］。

　　四旋翼飛行器常見的飛行方式有2種［4］:X飛行方式與十字飛行方式，其中兩個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，以抵消自旋轉(zhuǎn)力。本試驗(yàn)采用的是十字飛行方式，電機(jī)2、4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)1、3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

　　規(guī)定電機(jī)1的方向即為正前方向，也是x軸方向；電機(jī)2為左方向，即y軸方向；電機(jī)3為右方向；電機(jī)4為后方向；z軸方向與x、y垂直向上。四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)可分為6種：垂直運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)、傾向運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1硬件框架

　　四旋翼飛行器硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，以MSP430F149單片機(jī)為主控芯片，作為飛控板，采用MPU-6050獲取飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)，并通過PWM波控制電子調(diào)速器，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。用Nokia5110顯示屏顯示飛行器內(nèi)部數(shù)據(jù)，便于調(diào)試。

　　2.2電源

　　對(duì)于四旋翼飛行器，電源的質(zhì)量會(huì)很大程度地影響它的飛行。本試驗(yàn)所使用的是新西達(dá)2212 KV2200電機(jī)，搭配5043號(hào)槳葉，當(dāng)單電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)，實(shí)測電流可達(dá)到21.1 A。所以當(dāng)飛行器滿載運(yùn)行時(shí)，總電流將達(dá)到80 A以上。同時(shí)，考慮到四旋翼飛行器的搭載能力，電源的質(zhì)量非常重要。本試驗(yàn)選用獅子 3S11.1V2 200 mAh 電池搭配電子調(diào)速器作為電源。

　　2.3角度傳感器模塊

　　MPU-6050是全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器，由InvenSense公司推出。MPU6050整合了3軸加速度傳感器和3軸角速度傳感器，其檢測軸與方向如圖5所示。

　　3軸加速度傳感器的精度可編程選擇，范圍為：±2 g、±4 g、±8 g和±16 g［5］。

　　3軸角速度傳感器精度范圍：±250、±500、±1 000°/s與±2 000°/s。

　　2.4電機(jī)與電子調(diào)速模塊

　　2.4.1選用電子調(diào)速器控制無刷直流電機(jī)

　　選用電機(jī)與電子調(diào)速器控制無刷直流電機(jī)?？捎迷谒男盹w行器上的直流電機(jī)有無刷電機(jī)和有刷電機(jī)兩種。無刷電機(jī)在運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生火花，減小了對(duì)遙控器無線信號(hào)的干擾，同時(shí)相對(duì)于有刷電機(jī)更安靜、運(yùn)行更順暢，且結(jié)構(gòu)可靠，基本不需要維護(hù)。所以電子調(diào)速器控制無刷電機(jī)更適合用作四旋翼飛行器。

　　2.4.2新西達(dá)2212KV2200電機(jī)

　　新西達(dá)2212KV2200電機(jī)的內(nèi)部共7對(duì)極，12個(gè)繞組。

　　新西達(dá)2212KV2200電機(jī)的6種通電情況下，電機(jī)是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即內(nèi)部有線圈的部分為定子，有7對(duì)極的外殼為轉(zhuǎn)子。

　　2.5飛控（MSP430F149）

　　MSP430是TI公司生產(chǎn)的低功耗系列單片機(jī)。采用16位精簡指令結(jié)構(gòu)（RSIC）［6］，其特點(diǎn)是：超低功耗；處理能力強(qiáng)；豐富的片內(nèi)外設(shè)；系統(tǒng)工作穩(wěn)定；開發(fā)環(huán)境簡單、方便。

3軟件與控制算法

　　飛控程序是實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。由定時(shí)器A產(chǎn)生20 ms中斷，每次中斷發(fā)生，MSP430F149通過I2C采集一次MPU-6050的數(shù)據(jù)，獲取原始姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過遞推濾波、四元數(shù)融合算法，得到姿態(tài)角，再根據(jù)需要的飛行姿態(tài)，并通過PID算法，計(jì)算得到電機(jī)的控制量，最后經(jīng)過PWM的方式控制電機(jī)轉(zhuǎn)速［7］。在下一次中斷發(fā)生時(shí)，飛行器的姿態(tài)信息通過MPU-6050更新到單片機(jī)，以此循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器的自平穩(wěn)控制系統(tǒng)。

　　程序流程如圖6所示。

4系統(tǒng)測試及實(shí)現(xiàn)成果

　　4.1姿態(tài)解算測試

　　在姿態(tài)解算測試時(shí)，使用Nokia5110顯示屏，通過更改程序，可分別顯示傳感器原始數(shù)據(jù)、遞推濾波后數(shù)據(jù)、四元數(shù)算法融合后數(shù)據(jù)、PWM波占空比數(shù)據(jù)。這樣可以讓用戶直觀方便地了解到數(shù)據(jù)處理結(jié)果，便于發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行調(diào)試，如圖7所示。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在小幅度擺動(dòng)飛行器時(shí)，屏幕顯示的姿態(tài)角信息（姿態(tài)角）無誤。

　　4.2PID參數(shù)測試

　　PID控制的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以消除不可預(yù)測的誤差，而PID參數(shù)是一組經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，需要根據(jù)實(shí)際的控制系統(tǒng)測試，選擇合適的PID參數(shù)。對(duì)于四旋翼飛行器，PID調(diào)試方法如下：

　　(1)四旋翼飛行器采用十字飛行方式，俯仰角由電機(jī)1、3控制，滾轉(zhuǎn)角由電機(jī)2、4控制。

　　(2)在調(diào)節(jié)俯仰時(shí)，先設(shè)置I、D為0（這里以P、I、D分別代表比例參數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù)），只改變P的量，由小到大依次變化。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，或收斂振蕩時(shí)，此時(shí)的P值就是所需要的數(shù)據(jù)。

　　(3)比例環(huán)節(jié)是PID調(diào)節(jié)中最難調(diào)節(jié)的一個(gè)，只要確定了P值，積分和微分環(huán)節(jié)就比較容易實(shí)現(xiàn)。

　　(4)微分系數(shù)D也是影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)的一個(gè)重要參數(shù)。微分環(huán)節(jié)的作用就是減緩誤差的變換速度。在四旋翼飛行器中，就是讓旋翼的擺動(dòng)速度不能過快。在步驟（2）中，四旋翼飛行器已經(jīng)出現(xiàn)等幅振蕩，在等幅振蕩的過程中，兩個(gè)極值處的振蕩速度最慢，在中間理想位置處，振蕩速度最快。加入了微分環(huán)節(jié)D之后，在振蕩速度最快的中間理想位置，微分環(huán)節(jié)作用最大，從而抑制了系統(tǒng)的過調(diào)，只要選擇合適的D值，四旋翼飛行器就會(huì)快速、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)到理想位置，而且不會(huì)出現(xiàn)過調(diào)。

　　PID參數(shù)的設(shè)定受到系統(tǒng)實(shí)際情況的影響，在不同的四旋翼飛行器之間也有所不同，所以PID參數(shù)需要實(shí)際的測試才能夠確定。PID參數(shù)的測試結(jié)果如表1和表2所示。

5結(jié)論

　　本試驗(yàn)對(duì)四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，完成了四旋翼飛行器的自平穩(wěn)控制系統(tǒng)，能夠基本實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的平穩(wěn)起飛與降落。本文介紹四旋翼飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展歷程，列舉了四旋翼飛行器研究的部分技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)進(jìn)行了分析，并介紹了四旋翼飛行器軟、硬件的實(shí)現(xiàn)。

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