基于UWB室內(nèi)定位六旋翼無人機(jī)的設(shè)計

楊 森，馬添麒

（江蘇科技大學(xué) 電信學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 210016）

1 多旋翼無人機(jī)技術(shù)概述

近年來，多旋翼無人機(jī)技術(shù)，在救援，航拍，農(nóng)業(yè)，偵察等各個民用領(lǐng)域都得到了廣泛的關(guān)注與研究，應(yīng)用前景非?？捎^。微型多旋翼無人機(jī)由于其本身所具備的特殊性，如優(yōu)秀的低速性能和垂直起降性能、簡單緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)身小巧便于隱藏和攜帶、可拓展性強(qiáng)、方便部署與維護(hù)等優(yōu)點，在民用領(lǐng)域得到多方面應(yīng)用[1]。

相比較于室外，室內(nèi)由于其空間狹小，障礙物較多，高度低等問題，往往對于飛行器的低速性能有著較高的要求，對于其本身的大小有極大的限制，因此在本設(shè)計中多旋翼無人機(jī)采用六旋翼為代表，為了有效突出六軸的可控性，本文在飛行控制器設(shè)計中加入了超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）室內(nèi)定位系統(tǒng)[2]，將室內(nèi)相對坐標(biāo)位置與陀螺儀所采集的三軸角速度、磁力計采集的三軸磁力信息、加速度傳感器采集的三軸加速度以及氣壓計所采集的高度信息相融合，并采用卡爾曼濾波算法[2]，此算法不僅可以有效地減弱陀螺儀自身的溫漂現(xiàn)象、零漂現(xiàn)象[3]，還可以使得多傳感器之間優(yōu)勢互補(bǔ)，進(jìn)一步提高六旋翼飛行控制系統(tǒng)的控制精度。

2 飛行器硬件組成

2.1 飛行器總體架構(gòu)

飛行控制器主控板主要由意法半導(dǎo)體公司STM32系列的STM32F03C8T6、MPU6050（六軸陀螺儀），MS5611（氣壓傳感器），HMC5883L（電子羅盤）、LG33-MIC5219（5 V～3.3 V穩(wěn)壓模塊）、DWM1000室內(nèi)定位模塊及其各自周邊電路組成，飛機(jī)的供電由3.7 V鋰電池經(jīng)過穩(wěn)壓3.3 V5 V給主控板各芯片及周邊電路供電。

按功能來分，可分為主控制模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、電源管理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、動力驅(qū)動模塊、UWB室內(nèi)定位功能模塊等六大模塊。

2.2 主控制模塊

六旋翼飛行控制系統(tǒng)主控制模塊芯片采用意法半導(dǎo)體公司的STM32系列的STM32F103C8T6增強(qiáng)型存儲容量64 K完全滿足目前飛控固件大小，支持后續(xù)飛控程序功能拓展，支持飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)的精確浮點運算以及速度更快的ARM Cortex M4內(nèi)核的計算。核心控制器芯片硬件引腳如圖1所示。

圖1 STM32F103C8T6硬件引腳

2.3 電源管理模塊

電源模塊，系統(tǒng)總電源采用直流電源3.7 V鋰電池進(jìn)行供電，通過分電單元將電源分6路供給6路電機(jī)，通過3.3 V5 V穩(wěn)壓模塊引出3.3 V5V電源給主控板各芯片及周邊電路供電，且主控板上各電源正極相通，地相通，便于各芯片同時供電。主控板上LTC3200，MIC5219（3.3 V5 V穩(wěn)壓模塊）用于將供電3.7 V電壓轉(zhuǎn)化為部分模塊需要的3.3 V以及5 V電壓。部分硬件電路如圖2—3所示。

圖2 LTC3200硬件電路

圖3 LG33-MIC5219硬件電路

2.4 動力驅(qū)動模塊

系統(tǒng)考慮到協(xié)同，載荷等因素選用了820空心杯電機(jī)，一個簡單的N型金屬氧化物半導(dǎo)體（N-Mental-Oxide-Semiconductor，NMOS）電路即可很好地驅(qū)動。如圖4所示，R6電阻主要是考慮到對互連延遲引起的時序問題以及串?dāng)_、傳輸線效應(yīng)等信號完整性。R7電阻主要起到下拉作用，防止因為單片機(jī)未給控制信號時出現(xiàn)的不確定狀態(tài)而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動。

圖4 電機(jī)及其驅(qū)動相關(guān)電路

2.5 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

MPU6050功能模塊與主控微控制單元（Micro Control Unit，MCU）的通信協(xié)議是集成電路總線（Inter Integrated Circuit，IIC），系統(tǒng)運行時主控單片機(jī)需要對傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫[4]，即對MPU6050傳感器的寄存器用IIC進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，程序中先將MPU6050的數(shù)字運動處理器（Digital Motion Processor，DMP）相關(guān)參數(shù)配置好，通過MPU6050采集運動信息，通過傳感器自帶的DMP直接將原始數(shù)據(jù)解算出四元數(shù)和姿態(tài)，而不需要在程序中進(jìn)行額外的數(shù)學(xué)運算，大大減輕了MCU的算法處理方面的壓力。得到四元數(shù)等數(shù)據(jù)后再經(jīng)過數(shù)學(xué)運算便可求得歐拉角，計算出目標(biāo)歐拉角與實際歐拉角的差，輸入比例積分導(dǎo)數(shù)（Proportion Integral Derivative，PID）控制器即可。MPU6050的接線圖如圖5所示。

其中用MPU6050的XCL，XDA端子與HMC5883L的SCL，SDA端子相連，這樣一來就可以從此IIC接口讀出一個9軸的信息，包括三軸的MEMS陀螺儀姿態(tài)信息即3個軸的角速度；三軸的加速度；以及三軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度[4]。這三者之間相互矯正可以為飛行控制系統(tǒng)提供較為精確的姿態(tài)以及運動方向信息。其中三軸數(shù)字羅盤HMC5883L，以及氣壓傳感器MS5611的硬件接線如圖6—7所示。

圖5 MPU6050硬件電路

圖6 HMC5883L硬件電路

圖7 MS5611硬件電路

2.6 數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信功能模塊大致上可分為兩個部分：一是USB串口通信，二是接收發(fā)送PWM信號的2.4G無線接收機(jī)以及遙控器。

2.7 UWB室內(nèi)定位功能模塊

如果系統(tǒng)多個飛行器之間需要協(xié)同，那就需要各自的相對以及絕對位置等各方面信息，于是給每一個飛行控制系統(tǒng)配備了一個DWM1000模塊，這個模塊采用的是DecaWave公司的DW1000 Ultra Wideband收發(fā)集成電路[1]，是一個集成了天線，所有射頻電路，電源管理以及時鐘電路的模塊。它可以用于雙向測距或者TDOA定位系統(tǒng)，可以精確到最小10 cm[1]，并且支持高達(dá)6.8 Mbps的數(shù)據(jù)速率，對于微型六旋翼這種可以高速移動、更新頻率要求較高的載體非常實用。

3 飛行參數(shù)調(diào)試

這里只作單個飛行控制系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)回傳、PID參數(shù)整定調(diào)試。

3.1 傳感器數(shù)據(jù)回傳調(diào)試

飛行控制系統(tǒng)搭載了MPU6050三軸陀螺儀傳感器、三軸加速度傳感器、三軸數(shù)字羅盤HMC5883L以及氣壓傳感器MS5611，具體回傳數(shù)據(jù)波形如圖8所示。

3.2 PID參數(shù)整定

系統(tǒng)采用的是角度和角速度的雙閉環(huán)PID控制算法。PID控制算法中P比例環(huán)節(jié)的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，但若不設(shè)限，隨著P的增大，系統(tǒng)極易產(chǎn)生超調(diào)，穩(wěn)定性變差；I即積分環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)可以幫助系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差；D即微分環(huán)節(jié)，可以對偏差進(jìn)行提前預(yù)知，抑制偏差變化，改善系統(tǒng)動態(tài)性能。

在飛行控制系統(tǒng)中，對于比例環(huán)節(jié)，P如果太小會導(dǎo)致角速度的誤差難以修正，系統(tǒng)響應(yīng)速度也比較慢。但P如果太大，也會導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩。因此選取一個合適的P參數(shù)不僅可以使得系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，也可以避免系統(tǒng)發(fā)生震蕩。而微分環(huán)節(jié)的參數(shù)D則可以顯著地抑制方向回中后的振蕩現(xiàn)象。對于積分環(huán)節(jié)的參數(shù)I，I可以在一定范圍內(nèi)改善由于重力影響使得六軸發(fā)生偏移的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文從微型六旋翼飛行器的原理入手，以STM32F103C8T6為飛行控制系統(tǒng)主控芯片，集成了室內(nèi)定位系統(tǒng)所需的超寬帶定位模塊DWM1000，MPU6050（六軸陀螺儀），MS5611（氣壓傳感器），HMC5883L（電子羅盤），多個傳感器模塊，經(jīng)過系統(tǒng)及其周邊的相關(guān)電路設(shè)計、制作，實現(xiàn)了微型UWB室內(nèi)定位協(xié)同六旋翼實驗平臺的搭建，經(jīng)過多次飛行試驗證明了本設(shè)計硬件平臺的可行性。

圖8 傳感器數(shù)據(jù)回傳

[參考文獻(xiàn)]

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