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      基于SBUS協(xié)議四旋翼的控制

      2017-10-18 10:24:28崔曉康高潤(rùn)秋曾云豪莊志鵬
      智富時(shí)代 2017年8期

      崔曉康+高潤(rùn)秋+曾云豪+莊志鵬

      【摘 要】本文主要是介紹一種基于SUB協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼的控制。本案例采用STM32F407RBT6微控制器為核心,控制Pixhawk飛控板實(shí)現(xiàn)四旋翼的起飛,降落,飛行動(dòng)作控制。STM32上采用外置透?jìng)髂KLC12S將數(shù)據(jù)回傳到上位機(jī),已達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和緊急降落的目的。該控制芯片接口多,速率快,可用于搭載攝像頭,藍(lán)牙,電子羅盤等外設(shè)以用于四旋翼拓展功能開(kāi)發(fā)。

      【關(guān)鍵詞】SBUS協(xié)議;STM32;Pixhawk飛控板;LC12S;

      一、引言

      多旋翼這個(gè)概念在很早以前就被提出來(lái)了,它的歷史可以追溯到20世紀(jì)初,但是由于受到理論知識(shí)和科技發(fā)展水平的限制,多旋翼飛行器在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都沒(méi)得到足夠的重視和發(fā)展[1]。四旋翼是多旋翼的一種,它主要通過(guò)改變4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)旋翼的升力,我們只需要控制四個(gè)電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)飛控算法的開(kāi)發(fā)。傳統(tǒng)四旋翼的控制采用控制板輸出四路PWM波到飛控板,進(jìn)而直接經(jīng)行飛行姿態(tài)的控制。這種方式需要讀取飛控板三軸加速度計(jì)算姿態(tài)角,對(duì)于輸出參數(shù)還需要PID整定,這種控制方式很直接,但是算法復(fù)雜,對(duì)主控板處理速度要求高。Pixhawk公司最近推出的飛控板不僅支持傳統(tǒng)的多通道PWM波直接控制,也添加了SBUS協(xié)議對(duì)其經(jīng)行控制,本文主要是介紹SBUS協(xié)議下對(duì)四旋翼的控制。

      二、SBUS協(xié)議簡(jiǎn)介

      SBUS是Smart-Bus的簡(jiǎn)稱,是日本Futaba公司自行研發(fā)的一種單總線探測(cè)協(xié)議,使用兩條線進(jìn)行通信,一條是地線,一條是信號(hào)線,單向傳輸距離1600m,雙向可達(dá)3200m。[2]

      (一)SBUS物理層協(xié)議

      SBUS串口協(xié)議波特率100kbps(100000),8位數(shù)據(jù),偶校驗(yàn)(even),2位停止位,無(wú)流控,每幀25字節(jié)兩幀之間間隔4ms,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大約7ms。每幀數(shù)據(jù)中0x0f作為該協(xié)議的其實(shí)字節(jié),2-23字節(jié)為16個(gè)通道數(shù)據(jù),24-25字節(jié)為結(jié)束字節(jié)。對(duì)于四旋翼的控制我們只需要控制其中5個(gè)通道數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)四旋翼的整體飛行姿態(tài)控制。

      (二)SBUS協(xié)議特點(diǎn)

      該協(xié)議有兩個(gè)特點(diǎn):一個(gè)是數(shù)字化,一個(gè)是總線化。

      我們所要發(fā)的通道數(shù)據(jù)信號(hào)都采用了PAM基帶調(diào)制,數(shù)字化的信號(hào)相比于PWM波抗干擾能力更強(qiáng),并且這種基帶信號(hào)及其適合于單片機(jī)間通信。

      采用總線化的方式,這樣我們就能同時(shí)在一個(gè)接口上連接多個(gè)設(shè)備,多主機(jī)方式工作,節(jié)點(diǎn)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,而不分主從,通信方式靈活。[3]

      三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      STM32F407是意法半導(dǎo)體推出的高性能,高集成度的控制芯片。在168 MHz頻率下,從Flash存儲(chǔ)器執(zhí)行時(shí),STM32F407/417能夠提供210 DMIPS/566 CoreMark性能,并且利用意法半導(dǎo)體的ART加速器實(shí)現(xiàn)了FLASH零等待狀態(tài)。DSP指令和浮點(diǎn)單元擴(kuò)大了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。通過(guò)定時(shí)器讀取超聲波數(shù)據(jù),將飛機(jī)飛行高度限制在1m;通過(guò)串口與LC12S相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)會(huì)傳到上位機(jī);通過(guò)JTAG經(jīng)行代碼調(diào)試和燒寫(xiě),最后采用軟件模擬SBUS協(xié)議將通道數(shù)據(jù)發(fā)給飛控板。

      (一)定時(shí)器配置

      對(duì)于HC-SR04超聲波數(shù)據(jù)我們采用通用定時(shí)器讀取數(shù)據(jù),通過(guò)超聲波數(shù)據(jù)將飛行器高度定在1m-1.3m范圍內(nèi)。通用定時(shí)器包含一個(gè)16位或32位自動(dòng)重載計(jì)數(shù)器,可通過(guò)軟件經(jīng)行編程。在讀取HC-SR04數(shù)據(jù)時(shí),定時(shí)器采用輸入捕獲模式,計(jì)算出飛機(jī)所處高度。

      四、軟件設(shè)計(jì)流程

      系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā),同時(shí)使用STM32F4xx_StdPeriph_lib v1.0.2.7標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)經(jīng)行開(kāi)發(fā)。這個(gè)固件庫(kù)時(shí)stm32官方發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù),它囊括了微控制器所有的外設(shè)特征,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),宏定義。采用庫(kù)文件提供的API開(kāi)發(fā),開(kāi)發(fā)者不必深入了解底層硬件,開(kāi)發(fā)代碼可讀性好,開(kāi)發(fā)效率高。

      (一)系統(tǒng)控制流程

      首先初始化中斷向量控制表,配置中斷設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí);將PA0設(shè)置成SBUS輸出的信號(hào)線,飛機(jī)的控制參量都是通過(guò)該口發(fā)送到Pixhawk飛控板上;PA2,PA3分別配置成USART2的接受和發(fā)送引腳,并和LS12C相連;定時(shí)器2配置成輸入捕獲模式,PB3配置成定時(shí)器2的輸入捕獲引腳,用來(lái)捕獲來(lái)自超聲波的脈沖信號(hào)PB4配置成通用輸出,用來(lái)產(chǎn)生出發(fā)超聲波的觸發(fā)信號(hào);定時(shí)器3配置成計(jì)數(shù)中斷模式,用于飛機(jī)在一定高度時(shí)候的定時(shí)產(chǎn)生降落指令。

      (二)飛行動(dòng)作控制

      當(dāng)四旋翼定高之后,它會(huì)等待來(lái)自上位機(jī)的控制指令,在一定時(shí)間內(nèi)未收到上位機(jī)的指令,四旋翼僅僅完成起飛,定高,降落。四旋翼在運(yùn)行過(guò)程中它只收到主控板STM32F407的控制,因此我們規(guī)定‘S用于緊急降落,以防發(fā)生意外,除此之外我們還定義了8條指令,用于控制四旋翼的飛行動(dòng)作控制,8條指令包括前,后,左,右,機(jī)頭方向,油門參量的控制。

      五、四旋翼飛行測(cè)試結(jié)果

      本次飛行是獨(dú)立于遙控器的飛行測(cè)試,四旋翼在整個(gè)飛行過(guò)程中,運(yùn)行平穩(wěn),能夠很好的完成起飛,定高,降落流程。另外,四旋翼對(duì)SBUS的飛行動(dòng)作數(shù)據(jù)響應(yīng)很快,飛行動(dòng)作控制流暢,沒(méi)有出現(xiàn)失控等異常情況。

      六、結(jié)語(yǔ)

      本文采用的方法得到了驗(yàn)證,飛行實(shí)驗(yàn)證明,采用SBUS協(xié)議對(duì)Pixhawk飛控板進(jìn)行控制的方法,相對(duì)于采用4路PWM波直接控制方法更為簡(jiǎn)潔直觀,飛行器飛行狀態(tài)也更加穩(wěn)定。除此之外STM32F407還配有豐富的外設(shè)接口,我們可以外接攝像頭,電子羅盤,GPS等外設(shè)讓四旋翼具有航拍,圖像處理,巡航等高級(jí)功能。

      致謝:本課題由北京市大學(xué)生科研與創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“四旋翼飛行器室內(nèi)定點(diǎn)懸停方法實(shí)現(xiàn)”支持。

      【參考文獻(xiàn)】

      [1] “羿-400”多旋翼飛行控制及飛控系統(tǒng)指導(dǎo)教材;北京中科浩電科技有限公司-北京航空航天大學(xué) 聯(lián)合研制

      [2]Futaba SBUS總線協(xié)議技術(shù)手冊(cè)

      [3]基于Sbus通信的多電機(jī)同步技術(shù)研究;董少鵬 2017

      [4] stm32f407vgt6-IqSVMvex-OjOeJk7qe技術(shù)手冊(cè) 2016

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