基于瑞薩單片機(jī)的四旋翼飛行控制系統(tǒng)

李紅燕

（西北民族大學(xué) 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124）

1907年，世界上第一架四旋翼飛行器升上天空?？萍嫉目焖侔l(fā)展和不斷創(chuàng)新，使其擁有更大的發(fā)展空間，自主四旋翼無人機(jī)在軍事、遠(yuǎn)程偵察、監(jiān)控等領(lǐng)域具有龐大的優(yōu)勢(shì)。近年來，四旋翼無人機(jī)被認(rèn)為是無人機(jī)應(yīng)用與實(shí)踐最好平臺(tái)。四旋翼飛行器也稱為四旋翼直升機(jī)，是一種有4個(gè)螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器。相對(duì)的四旋翼具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，分兩組，兩組的旋轉(zhuǎn)方向不同。與傳統(tǒng)的直升機(jī)不同，四旋翼直升機(jī)只能通過改變螺旋槳的速度來實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。

1 四旋翼自主飛行系統(tǒng)

圖1 四旋翼自主飛行系統(tǒng)構(gòu)成圖

（1）主控制器。采用瑞薩單片機(jī)作為控制核心，8位×32個(gè)寄存器，內(nèi)置高速片上振蕩器時(shí)鐘，最高頻率可達(dá)32MHz，內(nèi)置單電源閃存，支持自編程功能。采用瑞薩MCU，瑞薩MCU是一種質(zhì)量輕，引腳多，比較適合于控制多路選擇性接口的單片機(jī)，還可以根據(jù)用戶的設(shè)計(jì)要求來自動(dòng)生成所需代碼。

（2）高空測(cè)距傳感器。使用超聲波傳感器測(cè)量四旋翼自主飛行器的飛行高度。超聲波對(duì)液體固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。采用紅外線測(cè)距傳感器，利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測(cè)量的傳感器，只要它本身有一定的溫度（高于絕零度）都能輻射紅外線，但是其傳感器受光的影響大，不可長距離測(cè)距。

（3）姿態(tài)檢測(cè)模塊。MPU6050整合三軸陀螺儀與三軸加速器于同一硅芯片上，對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。

2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

（1）算術(shù)平均濾波連續(xù)取N次采樣值進(jìn)行算術(shù)平均，其數(shù)字表達(dá)式如式（1）：

（2）重力加速度在三軸的分量與傾角關(guān)系如圖2所示，由此導(dǎo)出傾角解算公式：

圖2 三軸加速度分量與傾角關(guān)系

（3）陀螺儀計(jì)算角速度為：

式（2）中，Vref是陀螺儀計(jì)算角速度值，Gyro是陀螺儀采集到的數(shù)字量，Vref是模擬比較電壓值，D是采樣精度，Scale是陀螺儀比率系數(shù)，f是模擬電路運(yùn)放的放大倍數(shù)。

（4）經(jīng)過測(cè)算和推導(dǎo)，得出了PID的計(jì)算公式為u（t）=Kp在該飛行器系統(tǒng)中，PID各個(gè)參

數(shù)經(jīng)過調(diào)試得出：K=1，P=300，I=0，D=125。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體框圖

（2）高空測(cè)距系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 高空測(cè)距子系統(tǒng)框圖

（3）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路。根據(jù)題目要求程序的主要功能為一鍵式啟動(dòng)飛行器在不低于1m的高空處懸停5s然后降落，當(dāng)手持飛行器與小車相距1m左右時(shí)，兩者發(fā)出明顯的聲光指示；飛行器一鍵式啟動(dòng)從A區(qū)飛至小車8區(qū)上方，激光照射小車，整個(gè)時(shí)間不超過30s。

程序設(shè)計(jì)思路為四旋翼裝置是一個(gè)以自穩(wěn)定為核心的四軸飛行器，因此需要陀螺儀控制電機(jī)來使四旋翼裝置在以平衡的前提下去完成所規(guī)定的功能，但是普通的輸出PWM波無法使四旋翼自穩(wěn)，所以就需要PID算法配合陀螺儀來使四旋翼裝置達(dá)到基本要求。通過增加超聲波測(cè)距模塊使四旋翼在自穩(wěn)的情況下可以通過程序來控制高度，并且還有檢測(cè)四旋翼裝置與小車的距離。

（4）程序工作流程。①系統(tǒng)上電與初始化；于系統(tǒng)配置周期函數(shù)，進(jìn)入中斷程序；③通過傳感器獲取當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)；④MCU執(zhí)行算法處理信息；⑤執(zhí)行操作命令，飛行器姿態(tài)選擇；⑥進(jìn)入模式一：起飛模式；否則進(jìn)入模式二：懸停；否則進(jìn)入模式三：跟隨小車飛行；否則，進(jìn)入模式四：指點(diǎn)降落；⑦周期檢測(cè)當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)；⑧MCU矯正飛行姿態(tài)；判斷是否到達(dá)指定位置：是，結(jié)束；否，執(zhí)行步驟③。

4 測(cè)試方案與結(jié)果

（1）硬件測(cè)試：四旋翼飛行器機(jī)架穩(wěn)固性檢測(cè)，電路板連接情況調(diào)試。

（2）軟件仿真測(cè)試：控制電機(jī)信號(hào)的波形為方波，當(dāng)飛行器的飛行姿態(tài)發(fā)生改變即MP6050檢測(cè)到角度變化時(shí)，波形發(fā)生改變。

（3）硬件軟件聯(lián)調(diào)：啟動(dòng)并觀察飛行器的飛行姿態(tài)，利用控制變量法逐一調(diào)參數(shù)，使得飛行器達(dá)到題目要求。

表1 測(cè)試結(jié)果及分析

根據(jù)表1的測(cè)試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：①飛行器飛行高度最終穩(wěn)定達(dá)到1m以上能夠懸停5s并且成功降落；于飛行器與小車相距0.5m～1.5m能發(fā)出聲光指示；③飛行器最終能飛至小車上方并懸停5s，激光能照射到小車，用時(shí)25s左右。

綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

文章對(duì)四旋翼飛行器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究，成功實(shí)現(xiàn)了飛行器平穩(wěn)飛行。文章用到了瑞薩芯片作為主控芯片，并且使用了超聲波測(cè)距傳感器，MPU6050陀螺儀傳感器，四旋翼飛行器不僅可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，而且還可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于計(jì)算機(jī)控制和空氣動(dòng)力學(xué)的興趣。可以把控制理論與實(shí)際相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論的能力和創(chuàng)新能力。文章提供了四旋翼飛行器的飛控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)距飛行，還可以加上攝像頭拍照和圖像處理功能，使四旋翼多功能化。

參考文獻(xiàn)

［1］譚浩強(qiáng).C語言程序設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［2］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2009.