基于ARM的四旋翼无人飞行器控制系统Word格式.docx

1、乾 , 孙志锋*（浙江大学 电气工程学院 , 浙江 杭州 310027摘要 :为改变传统以单片机为处理器的四旋翼无人飞行器的控制方式 , 提出了一种基于嵌入式 ARM 的飞行控制系统的设计和实现 方案 。 详细介绍了控制系统的总体构成以及硬 、 软件设计方法 , 包括传感器模块 、 电机模块 、 无线通信模块 。 试验结果表明 , 该设计 结合嵌入式实时操作系统 ,保证了系统的高可靠性和高实时性 , 能满足飞行器起飞 、 悬停 、 降落等飞行模态的控制要求 。 关键词 :ARM ; 四旋翼无人飞行器 ; 控制系统 中图分类号 :TP277; TH39文献标志码 :A文章编号 :10014551

2、（2011 10123704Four-rotor unmanned aerial vehicles control system based on ARMLIU Qian , SUN Zhi-feng（College of Electrical Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310027, China Abstract :In order to change the conventional control of four-rotor unmanned aerial vehicles using microcontroller as

3、the processor , a solution of flight control system based on embedded ARM was presentedThe main function of the system ,the hardware structure and the software de-sign were discussed in detail ,including the sensor module , the motor module , the wireless communication moduleWith embedded real time

4、operating system to ensure the system s high reliability and real-time performance , the experiments results show that the requirements of flight mode are satisfied , including taking off , hovering , and landing and so onKey words : four-rotor unmanned aerial vehicles ; control system0引 言近年来 , 随着新型

5、材料以及飞行控制技术的进步 , 小型四旋翼低空无人飞行器得到了迅速发展 , 在军事 和民用领域具有广阔的应用前景 。 和传统的直升机相 比 , 它有着自身的优势 :当前后两个旋翼逆时针旋转 , 而左右两侧的旋翼顺时针旋转时 , 则尾桨控制和旋翼 倾斜问题可以被忽略1。 但由于小型四旋翼低空飞行器是一个具有 4个输入力 , 同时却有 6个输出的欠 驱动系统 ,具有多变量 、 非线性等特性 , 这使得飞行控 制系统的设计变得比较困难 。目前的飞行器控制系统多采用单片机来完成姿态 控制 , 存在硬件资源有限 、 运算和处理速度慢等问题 。 本研究选用 32位 ARM 处理器 , 并且可以内嵌实时操作

6、系统 , 和传统的控制方式相比 , 外设资源更丰富 , 性 能更好 。 本研究从小型四旋翼飞行器的机型特点和实 际需要出发 , 结合 ARM 控制器的优越性能 , 探讨小型 四旋翼飞行器控制系统的硬 、 软件实现方案 。1系统工作原理和结构框架1. 1四旋翼飞行器工作原理四旋翼飞行器上下的垂直运动是通过 4个旋翼同时增速 （减速 得到的 , 当 4个旋翼的升力之和等于飞 行器的自重时 ,飞行器便保持悬停 。 水平面内的前后 运动是在旋翼 1、 2分别增速 （减速 的同时 , 旋翼 3、 4减速 （增速 , 这样机身就会发生向后或者向前的倾 斜 , 得到水平面内的前后运动 ; 俯仰运动是通过旋翼

7、 1、 3速度不变 , 旋翼 2增速 （减速 的同时 , 旋翼 4减速机 电 工 程 第 28卷（增速 来实现的 。 相似地可以得到滚转运动 :即旋翼 1增速 （减速 , 同时旋翼 3减速 （增速 。通过组合以上的基本运动 , 可以实现小型四旋翼 飞行器的各种复杂运动 2。 四旋翼飞行器的结构俯 视图如图 1所示 图 1小型四旋翼飞行器结构俯视图1. 2控制系统总体框架小型四旋翼飞行器的飞行控制系统通常由传感器 测量装置 、 主控制器和驱动电机等部分组成 。 传感器 用来测量四旋翼飞行器的飞行状态信息 , 主控制器根 据这些传感器反馈回来的状态信息 、 预先给定的状态 和现场无线输入的控制指令

8、信息进行处理 , 使控制系 统根据控制算法处理结果输出 4路 PWM 信号控制电 机转速 , 以实现自动调节旋转力矩来稳定飞行姿态 。 整个四旋翼飞行器控制系统主要分为机载控制部分和 地面控制部分 。 机载部分系统结构框图如图 2所示图 2飞行控制系统结构框图2系统硬件设计本研究采用 ST 公司生产的 STM32F103RCT6作 为系统的主处理器 。 STM32系列基于专为要求高性 能 、 低成本 、 低功耗的嵌入式应用而设计的 ARM Cor-tex-M3内核 。 它主要负责采集传感器检测到的姿态角 速率 （俯仰角速率 、 横滚角速率和偏航角速率 、 三轴 的线加速度和航向信息并实时解算

9、; 根据检测到的飞 行信息 , 结合既定的控制方案 , 计算输出控制量 ; 通过 无线通信模块与地面进行数据的传输 , 实现接收控制 命令改变飞行状态和下传飞行状态数据 。 2. 1传感器模块小型四旋翼低空飞行器在某个时刻的状态由 6个 物理量来描述 , 包括在三维坐标中的 3个位置量和沿 3个轴的姿态量 （即称为六自由度 。 惯性传感器有两 种类型 :陀螺仪和加速度计 。陀螺仪起到测量四旋翼飞行器的角速率的作用 , 在惯性导航系统中非常重要 。 因此 , 精度和稳定性可 作为陀螺仪选型的重要原则 。 本研究选用 ADI 公司 的角速率陀螺仪 ADXRS150, 负责采集四旋翼飞行器 3个方向

10、的角速率 （俯仰角速率 、 横滚角速率 、 偏航角速 率 。 该陀螺测量精度达到 150 /s, 其工作电压为 5 V 。加速度传感器起到感应飞行器 3个轴向的线加速 度的作用 。 本研究的应用环境主要是室外的低速运动 场合 , 因此每个轴向的加速度并不大 。 根据这个选型 原则 , 本研究选用 Kionix 公司体积小 、 功耗低 、 高灵敏 度的三轴加速度传感器 KXM52-1050。 它是一款数字 式传感器 , 灵敏度为 660mV /g。在惯性导航算法中 , 导航参数会随着传感器的测 量误差积累而发散 , 因而不能满足长时间自主飞行的 需 要 , 故 选 用 霍 尼 韦 尔 公 司 的

11、 三 轴 式 数 字 罗 盘 HMR3300对惯性导航系统进行姿态校准 。 它的工作 电压是 5V , 采用 UART 协议通信 , 经过转换电路之后 可以和 STM32的 SCI 口通信 , 并且自带模数转换 , 以 便与微处理器直接通信 。2. 2电机控制模块本研究采用 PWM 控制直流电机的转速 。 小型四 旋翼低空飞行器的动力系统由电机 、 减速齿轮和旋翼 组成 。 电机选择 1225FE33型号的铁心电机 。 直流电 机是功率器件 , 需要很大的驱动电流 , 控制器的驱动能 力有限 , 因此必须选用专门的驱动芯片 3。 本研究采 用 LG 生产的集成芯片 LG9110来控制和驱动直流

12、电 机 , 该芯片两个输出端能直接驱动电机的正反向运动 , 它具有较大的电流驱动能力 , 每通道能通过 750mA 800mA 的持续电流 ; 同时它具有较低的输出饱和压 降 , 使它在实现驱动直流电机的功能上更安全可靠 。 由于飞行器的电机在转动过程中会产生比较大的 冲击电流 , 为了提高飞行控制系统的可靠性 , 本研究需 要对 STM32输出的 PWM 信号进行隔离 。 飞行器选用 锂电池供电 , 光电耦合器进行信号隔离时 , 工作电流 大 , 锂电池供电能力无法满足要求 。 ADI 公司的 iCou-pler 系列数字隔离器将 CMOS 与芯片级变压器技术相 结合 , 大大降低了电路板的

13、体积和功耗 。 电机隔离电8321第 10期 刘 乾 , 等 :基于 ARM 的四旋翼无人飞行器控制系统路如图 3所 示 , 数 字 隔 离 器 ADuMl400实 现 了 4路 PWM 信号的隔离图 3电机隔离电路2. 3无线通信模块无线通信模块是四旋翼无人飞行器和地面控制中 心之间通信的桥梁 。 本研究要求的无线传输距离为 100m 左右 , 故选用 Nordic VLSI 公司推出的单片射频 收发器芯片 nRF9054。 nRF905芯片工作在 433MHz 的 ISM 频 段 , 工 作 电 压 为 3. 3V , 使 用 SPI 接 口 与 STM32通信 , 配置和使用非常方便 。

14、 此外 , nRF905芯 片功耗非常低 , 以 10dBm 的输出功率发射时电流只 有 11mA , 接收信号时电流只有 12. 5mA , 在 100m 之 内传输稳定可靠 。 具体的硬件连接如图 4所示图 4STM32与 nRF905硬件连接图3软件设计3. 1总体设计四旋翼飞行器控制系统软件设计的总体目标是启 动飞行控制系统的各个功能模块并使之正常工作 , 按 照既定规划实现稳定飞行 。 由于四旋翼飞行器为六自 由度的系统 , 而其控制量只有 4个 , 这就意味着被控量 之间存在耦合关系 5, 所设计的控制算法应能够对这 种欠驱动系统足够有效 , 用 4个控制量对 3个角位移 量和 3

15、个线位移量进行稳态控制 。 本研究在得到四旋 翼飞行器的动力学方程之后 , 适当地选取控制量 , 运用 控制理论中经典的 PID 控制算法对飞行器系统进行 控制图 5系统启动流程图 飞行控制系统的中央控制模块主要完成系统初始化 、 系统自检 、 解算传感器数据 、 导航信息解算 、 执行控制算法 、 计算并输出控制量等功能 。 控制模块选择使用 C /OS-II 管理控制任 务 的 调 度 。 C /OS-II 是一个专为嵌入式应用设计 、 基于优先级调度的抢占式实时操作系统内核 , 它包含了任务调度 、 任务管理 、 时间管理 /任务间通信与同步等功能 。 各任务之间通过信号量和消息队列实现相互间的数据 交换和同步 6。