四轴飞行器的姿态检测模块设计报告.docx
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四轴飞行器的姿态检测模块设计报告
CompanyDocumentnumber：
WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
四轴飞行器的姿态检测模块设计报告
密级：
NANCHANGUNIVERSITY
学士学位论文
THESISOFBACHELOR
（2011—2015年）
题目四轴飞行器姿态检测模块设计
学院：
信息工程学院系自动化系
专业班级：
测控技术与仪器111班
学生姓名：
学号：
____________
指导教师：
张宇职称：
讲师
起讫日期：
2015年2月至2015年6月
南昌大学
学士学位论文原创性申明
本人郑重申明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。
本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密□。
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名：
日期：
导师签名：
日期：
四轴飞行器姿态检测模块系统设计
专业：
测控技术与仪器学号：
学生姓名：
指导教师：
张宇
摘要
近几年来，由于航空摄影、监控、军事等领域的需要，四轴飞行器得到了较大发展。
由于四轴飞行器具有不稳定、非线性及时变性等特点，其姿态信息检测显得极为重要。
通过对四轴飞行器的姿态分析，设计了一个姿态检测系统。
姿态角是四轴飞行器中极为重要的控制参数，直接关系到四轴飞行器的控制精度。
本系统采用STC89C52系列单片机作为控制器，使用集成芯片MPU6050传感器用于姿态初步信息检测芯片，经数据融合得到机体的姿态，上位机软件用作显示；系统基于模块化处理，结构简单；传感器与控制器之间的数据通信采用模拟I2C总线进行传输；使用互补滤波算法将三轴加速度和三轴角速度进行数据融合，从而得到三个姿态角，即俯仰角、偏航角与翻滚角。
数据采集采用互补滤波，使得到的姿态角更加精确。
关键词：
姿态检测系统；STC89C52；传感器；互补滤波；姿态角
ThedesignofattitudedetectingmoduleofQuadrocopter
Abstract
Inrecentyears,duetothedemandofaerialphotography,monitoring,militaryandotherfields,thequadrocopterhasaconsiderabledevelopment.Becauseoffouraxisspacecrafthavingmanycharacteristics,suchasinstability,nonlineardegenerationintime,theirattitudeinformationdetectionisveryimportant.Accordingtothefouraxisaircraftflightprinciple,aattitudedetectionsystemisdesigned.
Attitudeangleisaveryimportantcontrolparameterinfouraxisaircraft,directlyrelatingtothefouraxiscontrolprecisionoftheseriessinglechipmicrocomputerascontrollerhasbeenusedinthissystem,usingtheintegratedchipMPU6050sensorforpreliminaryinformationdetection.PCsoftwareisusedasadisplay;Thesystemisbasedonmodularprocessing,whosestructureissimple;DatacommunicationbetweenthesensorandcontrollerusessimulatingIICbustotransfer;whenthree-axisaccelerationandthree-axisangularvelocityfordataaremixedtogetherbythequaternionalgorithm,threeattitudeangleswillbegotten,namelythepitchingangle,rollangleandyawangle.Usingthecomplementaryfilterwhendataacquisition,wecangetmorepreciseattitudeangle.
Keywords:
attitudedetectionsystem;STC89C52;sensor;thecomplementaryfilter;Attitudeangle
第一章绪论
姿态检测的技术国内外发展和现状
姿态检测是指检测出物体的空间信息的一门技术，这门技术古老又年轻。
古罗马人利用北极星和太阳的方位基准，横渡地中海，来往于南欧和北非之间。
明代郑和利用指南针的导航特性，率领庞大的船队七下大海，开创了茫茫大海上的远航，也是我国大型远航的首例。
在古代先民的导航过程中，利用的信息资源非常直观，采用的方法和原理十分简单，导航精度非常低。
随着人们对自然现象本质的深入认识和科学技术的发展，导航信息新资源和通信理论不断被发现和更新。
麦哲伦使用六分仪的天文导航完成了环球旅行。
牛顿力学的创建使人们进一步正确认识惯性，根据惯性原理，能够制造出在运动体内建立人工参考基准的惯性仪器[1]，并逐步完善和发展成惯性导航系统，使人们能探索更深更远的空间。
在中国，2009年5月中科院沈阳自动化研究所成功研制了一种名为“旋翼飞行机器人”的空中具有多种功能的自主飞行机器人[2]。
并且在已经北京比较顺利地完成了地震废墟搜救实战演习，机器人通过姿态检测系统能有效的维持自己的平衡。
据称已小批量投入生产。
有效载荷40公斤。
最大的飞行速度每小时可达到100千米，最多可连续航行4小时。
相对来说，比较小的机器人起飞时的重量为40千克，可搭载15千克非机体物品。
最大的飞行速度可达到每小时70千米，可连续飞行2小时。
飞行机器人在空中的时候可实现全自主飞行，不需要控制人员来驾驶和操控，在设定指定的目标位置后，可实现自主地起飞、降落、空中巡航。
此飞行机器人由机器人学国家重点实验室的研发人员耗时近4年时间研发成功。
姿态检测作为惯性导航的一个子系统，姿态检测的发展离不开中国卫星导航系统的发展。
北斗卫星导航系统，作为中国独立发展、自主研发、成功运行的全球卫星导航与定位系统，是我国正在建设并计划在2020年左右建成的且极为重要的空间信息基础设施，可广泛应用于军事与民用领域的诸多领域。
北斗卫星导航系统可为用户提供高可靠、高精度的导航、定位以及授时服务，具有通信和导航两者相结合的服务特色，尤其是通信，这是国外的卫星导航系统目前不具备的功能。
经过长达19年的发展与积累，该系统已经具备一些比较完善的功能，在渔业、测绘、水利、电信、交通运输、减灾救灾、森林防火和国家安全等诸多领域得到比较广泛的应用，产生了极为显着的社会效益和经济效益，尤其是在青海玉树、四川汶川抗震救灾中展现了特别重要的作用。
姿态检测技术水平已经达到国际同期先进水平。
在国外，国际空中机器人大赛（InternationalAerialRoboticsCompetition，简称IARC）[3]，大大促进了姿态检测技术的发展，该赛事是由国际无人飞行器协会（AssociationforUnmannedVehicleSystemsInternational）在1990年开始组织举办的，每年一次，该项赛事的水平基本代表了国外无人机的发展水平，在某种程度上也代表了国外姿态检测的水平。
在美国，全球定位系统（GlobalPositioningSystem）在1994年全面建成，具有在海、陆、空全方位三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。
这些系统都是在姿态检测系统的基础上搭建起来的。
姿态检测技术的研究背景和意义
精确制导武器的出现已经彻底改变了现代战争的作战方式，而战争方式的改变又促进了精确制导武器的发展。
姿态检测系统早已普遍应用于运动控制系统、稳定平台以及各种武器的控制系统中，但由于以往的姿态检测系统是以传统的惯性测量器件作为测量元件以及常用的CPU作为主处理器组成的，需大量的的外设来支持姿态检测系统的检测以及计算，以致姿态检测系统具有外观较大、成本高、质量重、可以利用的资源没有得到充分的利用等缺点，无法应用于体型小的无人机、火箭弹等成本低、体积小的武器装备中，而且也无法应用到成本低、体积大的电子产品中[4]。
随着计算机技术与嵌入式技术的快速发展，将计算机的中央处理器嵌入到应用系统中，与其外设电路一起运行时可为用户提供信息处理功能，由此而成的嵌入式系统也已在各个领域有了比较广泛的实际应用。
二十世纪七十年代初以来，在计算机与其他先进技术的带动下，嵌入式系统得到了极为快速的发展并且广泛应用到多种微型系统中。
就嵌入式系统来说，现在已经出现了由单片机转向ARM等高级、快速系统的发展与应用。
基于ARM的实时信息处理系统具备高速且稳定的特点，而且易于处理各种数字信号、信息融合、滤波处理等优点。
因此，单片机由于其自身处理速度快等诸多优点，已在航空航天、军事领域中初露头角，捷联式姿态测量系统是以单片机作为中央处理器构成一个嵌入式的数据采集处理系统。
它采集MEMS陀螺仪的三轴角速度、MEMS加速度计的三轴加速度信数据，对这些数字进行数字滤波，按照互补滤波算法计算载体的实时姿态和航向。
本论文就如何使用MEMS陀螺仪和MEMS加速度计作为惯性测量元件，用单片机代替导航计算机，设计出一种物理结构紧凑、体积小、重量轻、运算速度快、成本低的姿态检测系统进行研究。
姿态检测技术在四轴飞行器的应用
四轴飞行器作为微型飞行器的其中之一，也是一种空中智能机器人，最初是由国外航空模型爱好者玩家自制成功，一开始并没有得到很好地应用。
后来很多自动化厂商，发现它具有多种用途尤其是监控、航拍以及电影制作等领域而积极投入资金，参于研制。
它利用有四个电机带动四个旋翼旋转产生升力作为飞行动力来控制空中飞行，它的重量较轻、尺寸较小、适合携带和使用的无人驾驶飞行器具有相似的功能，如能够携带一定的有效载荷，具有自主控制导航的飞行能力。
可在复杂、危险的环境下完成常人难以完成的任务。
自1953年以来，如何控制刚体姿态的问题已经吸引包括航空航天与机器人领域在内的各领域学界的浓厚兴趣。
其中原因正是许多领域如宇宙飞船、人造卫星、直升机、弹导导弹、机器人机械手、水下潜艇以及其他一些具有需要刚体结构参与的机械都需要对刚体姿态控制。
一些方法中有着广泛的应用如时间优化控制，李雅谱诺夫程序设计、四元数反馈和反演法、自适应非线性和鲁棒控制。
图1-2四轴飞行器
四轴飞行器，如图1-2所示，对于常规的直升飞机有一些优势：
由于对称性，这种飞行器显得非常优雅，并且价格低廉、设计和构建也很简单。
但也有一些不足，由于四轴飞行器具有不稳定、强耦合以及非线性等特性，姿态控制是四轴飞行器控制系统的核心[5]。
而姿态检测技术又是姿态控制的核心。
姿态检测技术能准确的将刚体的空间位置信息通过数字信息反馈出来，然后经过微处理器分析处理，然后微处理器控制执行机构动作，以满足控制要求。
姿态检测技术需要获得俯仰角
、横滚角
、偏航角
信息，然后反馈给微处理器，微处理器通过调节电机的转速维持机体的控制需要。
本课题研究的主要内容
本课题主要基于微机械惯性传感器的微小型姿态检测模块设计，利用STC89C52单片机，集成芯片传感器MPU6050和传感器HMC5883L完成姿态检测模块的设计，用以满足一些机体姿态检测或姿态控制精度要求不高的场合。
论文主要包括以下内容：
1、根据课题设计要求，完成四轴飞行器姿态检测模块方案设计，包括处理器的选择，传感器的选择以及显示模块的选择。
2、根据查阅相关芯片资料和设计需要，设计硬件模块电路，包括处理器模块电路设计，传感器模块电路设计。
3、通过软件设计，达到本设计需完成的功能。
软件设计主要包括设计流程图，滤波算法，姿态解算算法。
第二章方案设计
四轴飞行器姿态检测模块设计功能是要求该检测系统能够通过传感器检测得到三轴加速度和三轴角速度以及两轴磁场，并且通过互补滤波将这些数据融合，最终得到空间载体的三个姿态角。
微处理器的选择
根据本模块设计需要，要求微处理器具有以下硬件要求：
微处理器具有一定大小的内存；
采用1602液晶显示，要求具有一定量的I/O口；
支持STC-ISP软件，支持在线调试；
具有串行通信接口；
具有定时器功能；
具有中断功能；
因此选择的微处理器要求具有以上功能。
STC公司生产的STC89C52RC单片机具有以下资源：
8K字节Flash，512字节RAM，32位I/O口，2个外部中断INT0和INT1，3个16位定时器/计数器T0、T1、T2，1个全双工串行口TXD/RXD。
而且STC89C52单片机相对于16位、32位处理器来说，其价格便宜，编程简单；STC8952单片机基本能达到本课题设计需要，故选择其作为本次四轴飞行器姿态检测模块系统的处理器。
传感器的选择
空间载体可做六自由度运动，姿态信息可分解为相互正交的三个方向的线速度和角速度。
姿态检测系统要求检测载体的姿态信息，而姿态信息的获取来自姿态检测系统的一个姿态检测模块。
本次四轴飞行器姿态检测模块所需的传感器有加速度计和陀螺仪。
加速度计用来测量机体的三轴加速度，陀螺仪用来测量集体的三轴角速度。
（1）加速度计
目前，通用的加速度计主要有ADXL345，BMA180以及MPU6050等。
ADXL345是ANALOGDEVICE公司生产的低功耗集成数字试3轴加速度计，其固定测量精度为10位，但可根据所测量的加速度大小进行动态改变，测量加速度量程最大可达+-16g，此时精度可以达到13位，x、y、z三轴的分辨率分别为230LSB/g、256LSB/g、282LSB/g。
工作电压为~，拥有一个SPI总线接口以及一个IIC总线接口。
BMA180是BOSCH公司生产的高精度的加速度计传感器，其测量精度可达14位，最大精度可达8192LSB/g，工作电压位~，也拥有IIC总线接口和SPI总线接口。
（2）陀螺仪
陀螺仪的型号主要有IGT3200和MPU6050等。
IGT3200是世界上第一个单芯片，数字输出，3轴MEMS陀螺仪集成电路，对3D鼠标、游戏和三维远程控制有广泛的应用[6]。
其测量的角速度精度为16位，分辨率为s，最大测量范围位2000deg/s，工作电压，可使用IIC总线接口与处理器进行数据通信。
MPU6050集成了陀螺仪和加速度计，而且它内部的加速度计和陀螺仪分别用了3个16位的ADC模数转换器，可将其测量到的模拟量的加速度和角速度转化为可输出的数字量加速度和角速度。
为了精确跟踪飞行器慢速和快速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，可在程序中通过寄存器的设定来改变加速度计和陀螺仪的量程。
陀螺仪的测量范围为+-250deg/s，+-500deg/s，+-1000deg/s，+-2000deg/s，加速度计的测量范围为+-2g，+-4g，+-8g，+-16g。
MPU6050与所有设备通信数据通信采用400KHz的IIC总线接口，其工作电压为~。
（3）电子罗盘
是一种重要的导航工具，能实时提供移动物体的航向和姿态。
霍尼韦尔HMC5883L是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，内部含有12位的模数转换器ADC，可将模拟量转换为数字量输出。
测量范围为+-8高斯，导航精度可达2度。
本次设计电子罗盘采用HMC5883L芯片。
根据以上信息的描述，MPU6050传感器相对于其他加速度计和陀螺仪传感器，它具有相当明显的优点：
集成了加速度计和陀螺仪，减少了包装空间，16位高精度，HMC5883L导航精度较高。
故综合各方面性能，选择MPU6050传感器作为四轴飞行器姿态检测模块芯片。
显示模块的选择
本课题要求测量的姿态信息分别为三轴加速度和三轴角速度，以及通过数据融合得到的载体的三个姿态角。
可用1602液晶或上位机显示。
由于1602液晶最多只能显示16个字符，故用1602液晶显示时得另外给系统增加一个按键，用于切换显示,而用上位机显示则能一次性将9个数据全部显示出来。
由于1602液晶能显示的字符太少，显示的各项数据不能标识，显示的不是很直观。
相反，上位机能显示的数据量更多，显示的精度也更高。
故显示模块采用上位机显示。
姿态检测系统工作原理及其组成
基于单片机STC89C52的姿态检测系统实际上就是可以实时为用户提供载体姿态信息的微型惯性检测系统。
它由三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器组成，提供的载体的加速度和角速率信息，这些实时信息经姿态解算后即可获得姿态角，其工作原理结构图如图2-1所示。
图2-1姿态检测系统工作原理结构图
处理器部分，是由STC89C52单片机及其外围电路组成的，作为整个姿态检测系统的核心，其主要的功能是通过I/O口将集成芯片MPU6050的加速度计和陀螺仪以及HMC5883L得到的数据，通过模拟I2C总线采集，然后经过微处理器上进行换算，滤波，姿态解算，最终得到四轴飞行器的3个姿态角即俯仰角pitch、翻滚角roll、偏航角yaw[7]，如图2-2所示。
图2-2姿态角示意图
MPU6050模块，MPU6050集成了三轴陀螺仪传感器、三轴加速度传感器。
其中三轴陀螺仪输出的是无符号的16位二进制码[8]，然后根据程序中设置的量程可以计算出角速度。
同样三轴加速度传感器输出的也是无符号的16位二进制码，然后根据程序中设定的量程可以计算出加速度。
数字磁罗盘HMC5883L：
数字磁罗盘主要为基于微机械器件的姿态检测系统提供导航角，通过磁偏角补偿，从而得到载体的真航向角。
第三章硬件设计
姿态检测系统硬件基于模块化设计，包括单片机处理器模块，传感器模块，以及电源模块。
处理器模块
处理器模块是由处理器构成的最小系统，它由一块STC89C52单片机、一个时钟电路、一个复位电路以及电源组成，其结构如图3-1所示。
图3-1最小系统结构图
STC89C52硬件资源
Ø8K字节程序存储空间；内带2K字节EEPROM存储空间；512字节的数据存储空间；可以直接使用串口下载应用程序[9]；
Ø增强型的8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，有两种时钟周期即6时钟周期和12时钟周期可供用户选择；
Ø工作电压：
～；
Ø工作频率范围：
0～40MHz，实际工作时的频率可以达到48MHz；
Ø用户可以利用的应用程序空间为8K字节；
Ø通用的I/O口共有32个，复位后：
P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为I/O口用时，不能输出高电平，需加上拉电阻，一般为1K或10K，作为总线扩展用时，不需要加上拉电阻；
Ø共3个16位的定时/计数器，分别为T0，T1，T2，比51多一个定时器，设计好定时器初值就可实现定时、计数及延时；
ØSCT89C52共有6个中断源，分别是3个定时器中断、2个外部中断和一个串行口中断；可分为两个中断优先级。
时钟电路
处理器模块的时钟电路也称振荡电路，是由两个30pF的陶瓷电容和一个的晶振构成，其电路如图3-1-2所示。
STC89C52芯片内部设有一个增益高的反相放大器，用作组成内部的振荡器。
图3-1-2中X1和X2分别为处理器内置的反向放大器的输入和输出端，两端跨接晶振以及两个陶瓷电容就可构成稳定的自激振荡器。
而电容C1，C2可以起稳定振荡频率的作用，并对振荡电路的频率具有微量调节的作用，通常来说，C1和C2可在20-100pF之间取值，本次设计取30pF[10]。
图3-1-2时钟电路
复位电路
复位电路有两种形式，分别是上电复位和手动复位。
上电复位的原理是在加电的瞬间导致电容两端的电压不同，形成电压差，进而对电容充电来实现的。
在通电瞬间，电容C通过电阻R导通而充电，以致RST端出现正脉冲，对单片机进行复位。
只要满足电源VCC的上升时间不超过1ms，电阻R和电容C可随意搭配，也就是说，电容和电阻的选取具有多样性。
实现自动上电复位，即接通电源的瞬间就完成了系统的初始化。
而对于电阻R和电容C的设置，只要满足在震荡电路稳定后保证RST端高电平持续的时间也就是正脉冲宽度大于2个机器周期就可以。
当采用的晶振的晶体的频率为6MHz时，可采取C=22uF，R=1K；当采用晶体为时，可取C=10uF，R=。
对于CMOS型的STC89C52，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，将外接电容减至1uF。
手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。
常用的方法是在正电源VCC和RST端之间增加一个四脚按键。
当按下按键时，则VCC的+5V电平就会瞬间加到RST端，从而实现单片机手动复位。
就算是人的动作再快，按钮保持接通的时间也可长达数十毫秒，完全能够满足复位的时间要求。
一般来说，为了实现复位的多样性，可采用手动复位和上电自动复位结合的形式[10]，其电路如图3-1-3所示。
图3-1-3复位电路
传感器模块
传感器模块包括MPU6050模块和HMC5883L模块，传感器MPU6050模块是由MPU6050及其外围电路组成。
其电路如图3-2-1所示。
图3-2-1MPU6050模块电路
实物模块如图3-2-2所示。
图3-2-2姿态检测实物模块
其中，引脚VCC接，GND与其他模块共地，SCL、SDA分别接处理器STC89C52的、，通过IIC总线与处理器之间的数据通信，XDA、XCL可外接传感器，比如磁强计等。
该模块的设备地址取决于AD0的值，AD0的值可为0和1。
传感器MPU6050有一个外部中断，数字运动处理器DMP（DigitalMotionProcessor）在处理完数据需要输出时可以使用它[8]。
HMC5883L主要是通过对两轴磁场的测量，进而计算出载体的偏航角。
外围电路如图3-2-3所示。
图3-2-3HMC5883L模块电路
电源模块
由于处理器与传感器的工作电压不同，处理器的工作电压为，传感器的工作电压为。
因此系统必须有一个电源电路，满足系统不同模块的电平需要。
根据查阅PL2303数据手册，我们可以利用PL2303及其外设电路设计一个USB转串口的TTL电源输出模块，输出的电平有两种，分别是和，。
与此同时，该模块还有另外一种用途，即烧录程序。
本次电源模块设计采用PL2303作为电源控制芯片，其工作电路如图3-4所示。
图3-4
升级会员 