郭小博 南京林業(yè)大學(xué)

基于STC15W4K32S4的四旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)

郭小博 南京林業(yè)大學(xué)

四旋翼無人機(jī)是一種具有四個(gè)螺旋的無人飛行器，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成本低及隱蔽性好等特點(diǎn)具有重要的軍事和民用價(jià)值，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。介紹以STC15w4k32s作為主控制器，以MPU6050為航向姿態(tài)參機(jī)載傳感器，以NRF24L01芯片模塊為通訊模塊，采用串級(jí)PID控制算法的四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)，基本實(shí)現(xiàn)了四旋翼無人機(jī)的可靠飛行。

四旋翼無人機(jī) 控制器 51單片機(jī)

隨著國產(chǎn)單片機(jī)的進(jìn)步，STC15W4K32S4系列單片機(jī)作為新一代8051單片機(jī)，基本滿足了四旋翼無人機(jī)的控制需求。8051單片機(jī)易于學(xué)習(xí)，同時(shí)市面資料多，其特點(diǎn)是其他單片機(jī)無法代替的。本文結(jié)合8051單片機(jī)的特點(diǎn)，介紹了四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。給出了系統(tǒng)控制核心設(shè)計(jì)、電源模塊設(shè)計(jì)、慣性測(cè)量模塊設(shè)計(jì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)，無線通信模塊設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為X型機(jī)型。四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)由控制器模塊、電源模塊、傳感器模塊、無線通信模塊、電子調(diào)速器模塊和無刷直流電機(jī)組成。微控制器為系統(tǒng)的核心部件，電源模塊為其他模塊提供穩(wěn)定電壓，傳感器模塊主要為MPU6050，提供飛行器的原始姿態(tài)數(shù)據(jù)，無線通信模塊接收外部命令，電子調(diào)速器和無刷電機(jī)為無人機(jī)提供動(dòng)力。

2 飛行器硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器設(shè)計(jì)

控制器采用國產(chǎn)宏晶公司的STC15W4K32S4單片機(jī)，該單片機(jī)為單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T），指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但是速度快8—12倍，內(nèi)部集成高精準(zhǔn)度R/C時(shí)鐘，擁有4K的大容量SRAM，32K的Flash程序存儲(chǔ)器，而且集成了一組（各自獨(dú)立6路）增強(qiáng)型的PWM波形發(fā)生器，可進(jìn)行四旋翼無人機(jī)的空間姿態(tài)解算，無線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳輸，滿足的四旋翼無人機(jī)的基本控制要求。

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

由于電子調(diào)速器自帶BEC輸出，可為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V供電。但是傳感器模塊和無線發(fā)射模塊需要3．3V供電，設(shè)計(jì)降壓電路。采用RT9193D電源芯片，RT9193系列是具有高精度，低噪音，高速度，兼容低ESR電容，采用CMOS工藝生產(chǎn)的低壓差LDO電壓調(diào)整器，內(nèi)部包括參考電壓源電路，誤差放大器電路，過流保護(hù)電路和相位補(bǔ)償電路。RT9193系列的輸出電壓在0．8～5．0V范圍。

2.3 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器模塊主要為MPU6050芯片。MPU-6050為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。它是具有16位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，將其輸出的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。通過IIC接口與單片機(jī)交換信息。

2.4 無線通信模塊設(shè)計(jì)

四旋翼無人機(jī)采用的是2．4G無線模塊，芯片為nRF24L01。nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn) 的工作在2．4GHz～2．5GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。

2.5 電子調(diào)速器和無刷電機(jī)

電子調(diào)速器采用商用電調(diào)（好盈天行者），可持續(xù)輸出40A電流，油門信號(hào)頻率范圍為50Hz到432Hz，帶BEC輸出，為5V/3A。無刷電機(jī)為2300KV，最大功率150W，最大可提供430g拉力。

3 飛行器控制

3.1 姿態(tài)數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)融合濾波

對(duì)MPU6050三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)作為數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，陀螺儀采集角速度信息，通過對(duì)一個(gè)周期內(nèi)的角速度積分可以得到角度信息，與上一個(gè)角度進(jìn)行比較即可得到當(dāng)前的姿態(tài)角。而加速度計(jì)則是通過采集每一個(gè)軸上的加速度信息，與垂直向下的重力加速度相比較，再通過三角函數(shù)計(jì)算，得到每一個(gè)軸與重力加速度的夾角從而得出姿態(tài)角。

陀螺儀和加速度計(jì)可以獨(dú)立測(cè)出飛行器的姿態(tài)角，但是二者各有利弊，陀螺儀雖然動(dòng)態(tài)性能較好，可普遍存在著零點(diǎn)誤差及溫度漂移，導(dǎo)致積分過程中誤差累計(jì)嚴(yán)重，后期數(shù)據(jù)幾乎沒有參考性，而加速度計(jì)雖然有良好的靜態(tài)性能，但其震動(dòng)及噪音較大，很難得到準(zhǔn)確的角度值，故而對(duì)兩種傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，濾波方能得到準(zhǔn)確的角度值。根據(jù)陀螺儀動(dòng)態(tài)性能好，加速度計(jì)靜態(tài)性能好的特點(diǎn)，采用互補(bǔ)濾波的方法，對(duì)陀螺儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波，對(duì)加速度計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，通過對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定最終修正偏差漂移從而得到一個(gè)精確的姿態(tài)角。

3.2 姿態(tài)控制

本系統(tǒng)采用的姿態(tài)控制為串級(jí)PID控制算法，即為比例(proportion)、積分(integral)、微分(derivative)的縮寫，此算法技術(shù)成熟，相對(duì)簡(jiǎn)單，為目前四旋翼無人機(jī)的主流控制方法。由于四旋翼飛行器是一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的PID控制更適合線性系統(tǒng)，所以在控制四旋翼飛行器的過程中往往存在著不同程度的超調(diào)和震蕩，為了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及抗擾動(dòng)的能力，該系統(tǒng)采用串級(jí)PID控制，即兩個(gè)PID調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作，一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)的輸入。在該控制系統(tǒng)中，外環(huán)得到的姿態(tài)角經(jīng)過PID計(jì)算后作為內(nèi)環(huán)的期望角速度，內(nèi)環(huán)的PID計(jì)算通過調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)的參數(shù)使得其迅速、準(zhǔn)確地跟隨外環(huán)的輸出控制量，通過串級(jí)PID控制，避免了輸入值頻繁變化造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，達(dá)到了很好的位置控制的效果。

4 結(jié)束語

本文介紹了四旋翼無人機(jī)飛行控制器的硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及控制算法的實(shí)現(xiàn)，本文采用STC15W4K32S4單片機(jī)作為微控制器，是本四旋翼飛行器系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。本系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，可在室外按命令進(jìn)行飛行，姿態(tài)穩(wěn)定，反應(yīng)時(shí)間較短，無線傳輸可靠，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，但是算法仍然存在優(yōu)化的空間，例如傳感器數(shù)據(jù)漂移等問題，希望在以后進(jìn)一步研究，使其真正的走向?qū)嶋H應(yīng)用。

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注：

受南京林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃資助。