湯金萍，周雷，金阿鎖
(南通大學 電氣工程學院， 江蘇 南通 226019)
摘要：四旋翼飛行器是由4個帶槳葉電機驅動并形成十字交叉結構的一種飛行器。本試驗是以MSP430F149單片機為主控芯片，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測的誤差，最后，以PWM波的形式控制無刷直流電機，實現(xiàn)四旋翼飛行器的自平穩(wěn)控制。本試驗完成了四旋翼飛行器的自平穩(wěn)控制系統(tǒng)，能夠基本實現(xiàn)四旋翼飛行器的平穩(wěn)起飛與降落。
關鍵詞：MSP430；MPU-6050；歐拉角；四旋翼飛行器；閉環(huán)控制
中圖分類號：TP29文獻標識碼：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單片機的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設計［J］.微型機與應用，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，而且還能實現(xiàn)自懸停，拍攝圖像，并通過WiFi傳輸?shù)绞謾C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。在當時AR.Drone的引領下，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)用作一個新領域——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)驗的新手也可很快學會操作。與AR.Drone相比，Phantom的尺寸更大一些，在戶外飛行時，抗風干擾的能力更強，Phantom還有GPS導航功能，可以飛行的范圍很大。Phantom最大的特點，就是可搭載攝像機。Phantom可通過連接架掛載GoPro運動相機，拍攝極限運動。Phantom可以從不一樣的視角拍攝，而且，與傳統(tǒng)的飛機航拍不同，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。說多旋翼飛行器重新定義了航拍，一點都不為過。
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行了多旋翼飛行器送快遞的實驗。在一些人類活動困難的地點，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、公共領域現(xiàn)場監(jiān)控等。
1總體方案
1.1四旋翼飛行器基本結構
四旋翼飛行器是由4個帶槳葉電機驅動并形成十字交叉結構的一種飛行器，本試驗的四旋翼飛行器采用十字飛行方式，電機1為正前方，由此確定前后、左右。4個電機分別安裝在十字結構的4個頂點，由此形成的四個旋翼結構相同，兩兩對稱［2］。飛行控制器和電池被安裝在中間交叉點位置。四旋翼飛行器的結構形式如圖2所示。
1.2運動姿態(tài)分析
四旋翼飛行器由四個旋翼共同提供升力，通過改變4個電機轉速，調(diào)節(jié)4個旋翼的升力，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個自由度，4個力輸入，6個狀態(tài)輸出，因此它是一個欠驅動系統(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，其中兩個電機正轉，兩個電機反轉，以抵消自旋轉力。本試驗采用的是十字飛行方式，電機2、4順時針旋轉，電機1、3逆時針旋轉。
規(guī)定電機1的方向即為正前方向，也是x軸方向；電機2為左方向，即y軸方向；電機3為右方向；電機4為后方向；z軸方向與x、y垂直向上。四旋翼飛行器的運動姿態(tài)可分為6種：垂直運動、俯仰運動、滾轉運動、偏航運動、前后運動、傾向運動，如圖3所示。
2硬件系統(tǒng)設計
2.1硬件框架
四旋翼飛行器硬件結構如圖4所示，以MSP430F149單片機為主控芯片，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)電機轉速。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
對于四旋翼飛行器，電源的質(zhì)量會很大程度地影響它的飛行。本試驗所使用的是新西達2212 KV2200電機，搭配5043號槳葉，當單電機滿載運行時，實測電流可達到21.1 A。所以當飛行器滿載運行時，總電流將達到80 A以上。同時，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軸運動處理傳感器，由InvenSense公司推出。MPU6050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
選用電機與電子調(diào)速器控制無刷直流電機?？捎迷谒男盹w行器上的直流電機有無刷電機和有刷電機兩種。無刷電機在運行時不會產(chǎn)生火花，減小了對遙控器無線信號的干擾，同時相對于有刷電機更安靜、運行更順暢，且結構可靠，基本不需要維護。所以電子調(diào)速器控制無刷電機更適合用作四旋翼飛行器。
2.4.2新西達2212KV2200電機
新西達2212KV2200電機的內(nèi)部共7對極，12個繞組。
新西達2212KV2200電機的6種通電情況下，電機是外轉子結構，即內(nèi)部有線圈的部分為定子，有7對極的外殼為轉子。
2.5飛控（MSP430F149）
MSP430是TI公司生產(chǎn)的低功耗系列單片機。采用16位精簡指令結構（RSIC）［6］，其特點是：超低功耗；處理能力強；豐富的片內(nèi)外設；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
飛控程序是實現(xiàn)四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的關鍵。由定時器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，計算得到電機的控制量，最后經(jīng)過PWM的方式控制電機轉速［7］。在下一次中斷發(fā)生時，飛行器的姿態(tài)信息通過MPU-6050更新到單片機，以此循環(huán)，從而實現(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)測試及實現(xiàn)成果
4.1姿態(tài)解算測試
在姿態(tài)解算測試時，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)處理結果，便于發(fā)現(xiàn)問題并進行調(diào)試，如圖7所示。
實驗結果表明：在小幅度擺動飛行器時，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控制的一個優(yōu)點就是可以消除不可預測的誤差，而PID參數(shù)是一組經(jīng)驗參數(shù)，需要根據(jù)實際的控制系統(tǒng)測試，選擇合適的PID參數(shù)。對于四旋翼飛行器，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1、3控制，滾轉角由電機2、4控制。
(2)在調(diào)節(jié)俯仰時，先設置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。當系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，或收斂振蕩時，此時的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，只要確定了P值，積分和微分環(huán)節(jié)就比較容易實現(xiàn)。
(4)微分系數(shù)D也是影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)的一個重要參數(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，四旋翼飛行器就會快速、準確地調(diào)節(jié)到理想位置，而且不會出現(xiàn)過調(diào)。
PID參數(shù)的設定受到系統(tǒng)實際情況的影響，在不同的四旋翼飛行器之間也有所不同，所以PID參數(shù)需要實際的測試才能夠確定。PID參數(shù)的測試結果如表1和表2所示。
5結論
本試驗對四旋翼飛行器的結構進行了分析，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難點，對四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)進行了分析，并介紹了四旋翼飛行器軟、硬件的實現(xiàn)。
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