基于SBUS協(xié)議四旋翼的控制

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