隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和時(shí)代發(fā)展的需求，無人機(jī)無論在軍事還是民用領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，對無人機(jī)領(lǐng)域的研究已得到國內(nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)的重視，特別是微小型多旋翼無人機(jī)的研究得到迅猛的發(fā)展。微小型多旋翼無人機(jī)可廣泛應(yīng)用于軍事偵察、高空拍攝、交通監(jiān)控及自然災(zāi)害勘察等領(lǐng)域。因此，實(shí)現(xiàn)微小型多旋翼無人機(jī)的自主飛行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。然而，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主飛行不可避免地要涉及到飛行器姿態(tài)、速度、位置這幾個(gè)大方面的控制運(yùn)算，因此對于控制器的運(yùn)算能力有很高的要求。

    現(xiàn)有的飛行控制系統(tǒng)一般采用ARM7、DSP等高速處理器作為控制芯片。對于這類單芯片飛控系統(tǒng)，一個(gè)控制周期內(nèi)要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算及指令輸出，同時(shí)還需將數(shù)據(jù)輸出到監(jiān)控系統(tǒng)，過重的負(fù)荷影響了系統(tǒng)的可靠性[2]。針對這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種雙芯片飛行控制系統(tǒng)，采用2個(gè)STM32F107VCT6處理器同時(shí)分工協(xié)作的機(jī)制,完成對飛行控制的任務(wù)要求。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可靠，運(yùn)算處理能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)功能劃分及硬件布局
    多旋翼無人機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，一般需要設(shè)計(jì)3類控制器：位置控制器、速度控制器及姿態(tài)控制器。同時(shí)還有姿態(tài)角推算，導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合等算法[3]。
    為了滿足以上控制和算法要求，機(jī)載部分的硬件布局就顯得尤為重要。若要得到很好的實(shí)時(shí)控制效果，控制頻率是一個(gè)重要的考慮因素。因此，為了完成高頻的控制運(yùn)算，本文設(shè)計(jì)了一種雙芯片控制系統(tǒng)，2個(gè)處理器同時(shí)處理數(shù)據(jù),協(xié)調(diào)工作, 達(dá)到自主飛行的目的[4]。協(xié)同任務(wù)的分配如表1所示。 其雙芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控制器部分有IMU模塊、GPS模塊、遙控器無線接收機(jī)及XBEE無線傳輸模塊；從控制器有陀螺儀傳感器、三軸加速度傳感器、地磁傳感器、氣壓傳感器、PWM輸出模塊及SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器[5]。

1.2 系統(tǒng)硬件選型
    (1)主從控制器：采用ST公司STM32F107VCT6型號(hào)的32位微處理器，時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz，其豐富硬件接口資源及功能強(qiáng)大的DMA控制方式，充分保證無人機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性。主從CPU之間采用高達(dá)18 MHz的SPI接口進(jìn)行雙機(jī)通信[6]。針對實(shí)際應(yīng)用， 對通信接口增加硬件握手，主機(jī)每次在傳輸數(shù)據(jù)前詢問從機(jī)狀態(tài)，如準(zhǔn)備好，則開始發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣可以避免主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),而從機(jī)正處于中斷接收配置代碼區(qū)，無法接收數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)丟失，無法正確接收數(shù)據(jù)[7]。
    (2)模擬量傳感器：加速度傳感器(ADXL335)、陀螺儀傳感器(ADXRS610)。采用模擬量傳感器的優(yōu)勢在于可以高頻率且精確地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，滿足400 Hz姿態(tài)控制頻率的要求。
    (3)數(shù)字量傳感器:地磁計(jì)(MAG3110)、氣壓計(jì)(BMP0805)、GPS模塊。數(shù)字量傳感器使用相對簡單，且在控制位置和速度時(shí)的頻率相對較低，數(shù)字量傳感器可以滿足要求。
    (4)無線傳輸模塊：遙控器、遙控器接收機(jī)、XBEE無線傳輸模塊。
    (5)擴(kuò)展模塊: IMU模塊。可以通過搭載高性能的IMU
模塊來驗(yàn)證控制板上各種傳感器的性能及估算的姿態(tài)角的準(zhǔn)確性[8]。
2 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是基于IAR軟件平臺(tái)下開發(fā)，采用匯編語言和C語言混合編程實(shí)現(xiàn)。主要分為主控制器和從控制器兩部分的軟件設(shè)計(jì)?！?br/>2.1 主控制器軟件設(shè)計(jì)
    主控制器軟件流程圖如圖2所示。遙控器的數(shù)據(jù)接收、上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收、GPS數(shù)據(jù)讀取、高度計(jì)和地磁計(jì)的數(shù)據(jù)讀取、主循環(huán)控制頻率等利用中斷程序完成。為了減輕CPU負(fù)載,對地面站的數(shù)據(jù)輸出采用DMA功能，無需CPU干預(yù)。

2.2 從控制器軟件設(shè)計(jì)
    從控制器需要完成400 Hz的控制運(yùn)算，同樣需要分別配置STM32的USART接口、SPI接口及定時(shí)器中斷。采集頻率設(shè)定為2 000 Hz，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行巴特沃斯數(shù)字低通濾波。巴特沃斯數(shù)字濾波器相比其他數(shù)字濾波器而言，通帶內(nèi)具有最大平坦幅度、阻帶頻率響應(yīng)逐漸下降為零的特點(diǎn)。濾波器的性能指標(biāo)如下：通帶截止頻率20 Hz,阻帶截止頻率100 Hz,阻帶最小衰減20 dB，通帶最大衰減3 dB[9]。對于SD卡的數(shù)據(jù)寫入同樣采用SPI的DMA功能,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速寫入，節(jié)約CPU時(shí)間。
    從控制軟件流程圖如圖3所示，接收與發(fā)送主機(jī)數(shù)據(jù)、主循環(huán)頻率都利用中斷程序完成[5]。同時(shí)為了節(jié)約CPU對外圍設(shè)備的讀寫的時(shí)間，采用ADC的DMA功能實(shí)現(xiàn)對模擬量傳感器的數(shù)據(jù)讀取，并將數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)交由DMA控制器。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    為驗(yàn)證系統(tǒng)方案的可行性，將含有速度控制和姿態(tài)控制的飛行控制系統(tǒng)搭載四旋翼飛行器進(jìn)行室外飛行實(shí)驗(yàn)[10]，如圖4所示。

    圖5和圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制器能夠很好地跟蹤速度目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)飛行器按預(yù)定速度飛行。由此可知，整個(gè)系統(tǒng)具有良好的目標(biāo)追蹤性及穩(wěn)定性。

    本文提出了一種新型的采用雙芯片結(jié)構(gòu)的多旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過程，并在主機(jī)、從機(jī)上設(shè)計(jì)不同的控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，可以完成各種方式的數(shù)據(jù)傳輸，處理速度快，能夠有效地完成自主飛行所需各種運(yùn)算要求，為實(shí)現(xiàn)該類無人機(jī)的自主飛行奠定了良好的基礎(chǔ)。
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