基于MSP432單片機的四旋翼無人機控制系統(tǒng)設計

徐曉丹，鄧 鵬，袁雙全，桂逸凡

（荊楚理工學院 電子信息工程學院，湖北 荊門 448000）

0 引言

隨著國家的日益強盛，科技飛速發(fā)展，新興科技不斷涌現(xiàn)，四旋翼無人機的出現(xiàn)便是眾多高科技中的杰出代表。四旋翼無人機主要由4 個槳葉交叉形成十字結構，通過槳葉旋轉提供升力進行飛行，遙控器控制其飛行方向。四旋翼無人機控制系統(tǒng)國外早有研究，一些著名高校和創(chuàng)業(yè)公司都有四旋翼無人機控制系統(tǒng)的自主研發(fā)，利用相關的控制算法，結合多個傳感器建立具有獨特控制性。四旋翼無人機結構簡單，具有橫滾、俯仰、偏航、懸停、垂直等多種飛行模式，很大程度上滿足了用戶的需求?？刂葡到y(tǒng)的作用在四旋翼無人機的飛行過程中十分關鍵[1,2]。在本文中，以MSP432 微控制器為核心，利用MPU6050 傳感器采集四旋翼無人機的姿態(tài)數據，改進傳統(tǒng)PID 控制算法，完成四旋翼無人飛行器飛行控制系統(tǒng)設計。

1 系統(tǒng)總體方案設計

本文的四旋翼無人機主要由MSP432 單片機、遙控器、控制器、傳感器、IMU 解算單元、電源以及其他組件組成。MSP432 作為飛行控制器，接收傳感器提供的信息進行分析和判斷，輸出PWM,控制4 個電機的轉動，控制飛行器的飛行姿態(tài)。傳感器模塊包括IMU 解算單元、高度感應器、水平感應器、巡線感應器等，傳感器給出無人機姿態(tài)信息、陀螺儀值、高度值等，通過解算后融入到整個IMU 飛控單元中，得到無人機在空間中的一個相對穩(wěn)定的位置，無人機下一步的飛行方向在接收到位置信息之后進行控制。遙控器負責把遙控信息輸入到控制器中，實現(xiàn)一鍵起飛功能，必要時還可以切換至手動控制狀態(tài)。系統(tǒng)整體框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Overall system block diagram

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要由F260-T432 底板、傳感器模塊、控制器、遠程控制器、馬達控制等幾大部分構成。Open MV 作為巡線控制器的數據來源控制整個無人機飛行。IMU 解算單元解算出信息后，首先給姿態(tài)控制器去控制無人機穩(wěn)定飛行，還會給出水平信息，與光流數據融合后控制水平控制器。高度控制器根據激光模塊測出距離后將數據進行融合，控制無人機飛行高度。

2.1 F260-T432底板設計

F260-T432 底板搭載TI 公司的MSP432 系列開發(fā)板[3,4]。飛行控制器使用MSP432P401R 核心板作為主控，MSP432主要應用于對功耗和性能要求都比較嚴苛的應用領域，其主要由F260-T432 底板、傳感器模塊、控制器、遠程控制器、馬達控制等幾大部分構成。MSP432 中的MCU 是32位，相較于16 位RISC（精簡指令集）的MSP430 單片機，MSP432 單片機采用32 位RISC，性能有很大提升，具有強大的處理能力，極低功耗，豐富的芯片外設和高效靈活的開發(fā)環(huán)境。作為一個極低功耗、高性能的MCU，MSP432單片機的應用前景十分廣闊。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊由IMU 解算單元、高度傳感器、水平傳感器和巡線傳感器組成，給無人機提供所有傳感信息。在IMU 求解單元中，得到了3 種信息：加速度信息、陀螺儀信息和糾正無人機飛行姿態(tài)的溫度信息。陀螺儀信息用來被矯正，溫度信息用來做恒溫控制，IMU 解算利用MPU6050 采集四旋翼無人機的姿態(tài)數據，以相對平穩(wěn)的姿勢使無人機在空中飛行；高度傳感器由氣壓計和紅外激光傳感器組成，實現(xiàn)定高功能，讓無人機穩(wěn)定飛行在某一確定高度；水平傳感器搭載匿名光流模塊，通過水平速度、垂直速度的識別，實現(xiàn)無人機定點懸停、定高等功能。水平傳感器由一個異步串口總線用來連接其他控制器，一個USB 口用來連接上位機，方便調參；巡線傳感器采用OpenMV3 攝像頭模塊，OpenMV3 攝像頭能進行機器視覺識別，實現(xiàn)無人機循跡功能。通過Micropython 語言，實現(xiàn)想要的邏輯的攝像頭內置圖像處理算法，使用外置終端觸發(fā)拍攝或執(zhí)行算法都很容易，還能利用算法的結果控制I/O引腳。圖2為傳感器模塊圖。

圖2 傳感器模塊圖Fig.2 Sensor module diagram

2.3 姿態(tài)控制器

姿態(tài)控制器包括高度控制器、水平控制器和巡線控制器[5-7]。姿態(tài)控制器是最基本的控制器，讓無人機以一個相對穩(wěn)定的姿態(tài)在空中飛行；高度控制器可以實現(xiàn)測高功能，使無人機穩(wěn)定地飛行在一定的預期高度上；水平控制器根據光流數據控制無人機水平方向，向左向右或是保持不變；巡線控制器根據Open MV 傳回來的信息實現(xiàn)巡線控制。

2.4 遙控器

本設計采用T8F8 遙控器，內置發(fā)射機，傳輸頻率為2.4GHz，適配R8F8 接收機，采用S-BUS 信號輸出，其他通道能輸出對應PWM 信號，方便配合其他傳感器使用。

遙控器的兩種模式：姿態(tài)模式與定點模式[8]。姿態(tài)模式中，由油門直接控制，Pitch 控制俯仰角度，Roll 控制橫滾角度，Yaw 控制航向角度；在定點模式中，高度信息由油門來控制，遙控器模塊圖如圖3。

圖3 遙控器模塊圖Fig.3 Remote control module diagram

2.5 電機控制

本設計選取了一種以無人機穩(wěn)定飛行為目標的無刷電動機作為無人機動態(tài)源，無刷直流馬達適合四旋翼飛機，其體積小、效率高、穩(wěn)態(tài)轉速誤差小。無刷電機要進行驅動，無刷電機的驅動相對來說比較復雜，需要單獨的MCU控制三相橋驅動。遙控器和巡線控制器分別控制姿態(tài)和水平控制器。根據速度采樣定理，電機控制模式采用400Hz的PWM 波控制電機，能精準控制電機。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件部分主要通過地面控制實現(xiàn)其飛行控制，四旋翼無人機的姿態(tài)信息、控制解算、姿態(tài)控制3 大模塊形成閉合的控制回路，保證了即使在外界環(huán)境的干擾下也能快速反應，進行自我調節(jié)，確保穩(wěn)定飛行。

3.1 MPU6050姿態(tài)信息采集

MPU6050 姿態(tài)信息采集沒有組合式陀螺儀與加速器軸間差的問題，安裝空間相對于多組件方案有所減小。6 軸傳感器MPU6050 是整合6 軸運動處理的組件，內帶3 軸陀螺儀和3 軸加速計，利用II C 接口將全6 軸進行整合，并利用自帶的數字運動處理器DMP 硬件加速引擎與外接磁力傳感器相結合。

3.2 MPU6050的四元數姿態(tài)解算

無人機姿態(tài)解算有歐拉角、方向余弦、四元數等，它們各有優(yōu)缺點。歐拉角法在計算時存在90°奇點，存在一個超越函數，難以計算。方向余弦法狀態(tài)維數高，求解時會產生歪斜、飄移等誤差，計算量大，效率低。旋轉矢量法的雙值性，在解算時會產生誤差，產生奇異矩陣。這幾種姿態(tài)解算方法中，四元數法變復雜的三角函數運算為簡單的線性化系統(tǒng)，具有計算量小、精度高，可避免奇異性等優(yōu)勢。

為了更好地描述無人機在空間中的位置，如圖4，建立慣性坐標系E 和機體坐標系B。

圖4 慣性坐標系E和機體坐標系BFig.4 Inertial coordinate system E and body coordinate system B

根據無人機飛行時4 個槳葉不同的旋轉順序，分別對應不同的旋轉矩陣，依據偏航角Ψ、俯仰角θ、橫滾角φ的順序，分別繞OEZE-OEYE-OEXE旋轉，依次旋轉的矩陣連乘就得到了旋轉矩陣REB。

矩陣REB的轉置矩陣REB就是將機體坐標系B 轉換成慣性坐標系E：

當θ=±π/2 時：

此時橫滾角的旋轉軸與偏航角的旋轉軸發(fā)生重合，失去了一個自由度。把四元數和歐拉角聯(lián)系起來就可以，表示其旋轉為：

旋轉矩陣表示為：

聯(lián)立式（1）和式（5）得：

3.3 PID控制系統(tǒng)設計

PID 算法原理簡單，通過調整3 個單元的增益Kp，Ki，Kd實現(xiàn)其特性，魯棒性強，控制精度相對較高，傳統(tǒng)PID控制算法適用于線性且動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，PID控制律算法表示為：

其中，Kp為比例增益，Ki為積分增益，Kd為微分增益，u(t)為控制量（控制器輸出），e(t)為被控量與給定值的誤差[9]。

PID 控制適用于許多控制問題，在參數調整好后具有不錯的效果，然而在一些應用下效果不佳，通常無法提供最佳的控制。PID 控制的主要問題在于其是線性對稱的，在非線性的系統(tǒng)中，其效果可能會有變化。由于無人機屬于非線性不穩(wěn)定系統(tǒng)，在實際飛行環(huán)境不確定情況下，傳統(tǒng)PID 控制器無法適應四軸飛行器的非線性系統(tǒng)。本文改進傳統(tǒng)PID 算法，引進串級PID 控制器控制無人機的飛控系統(tǒng)。

將兩個PID 控制器組合在一起就是串級PID 控制器，外環(huán)控制器的輸出賦給內環(huán)控制器的輸入，減小誤差，滿足非線性條件。內部的PID 控制器直接對目標值進行控制，外部的PID 控制器用來快速逼近目標值。與傳統(tǒng)PID 控制算法相比較，串級PID 控制使時間常數減小，振蕩周期縮短，提高系統(tǒng)的運行效率，增強飛控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖5是串級PID 控制的原理圖。

圖5 串級PID控制原理圖Fig.5 Schematic diagram of cascade PID control

串級PID 控制器在使用時，外環(huán)控制無人機的姿態(tài)角，達到超前控制的快速響應；內環(huán)作為角速度環(huán)控制無人機，實現(xiàn)對角速度的控制，提高無人機的飛行穩(wěn)定性。

在串級PID 控制系統(tǒng)建立后，利用MATLAB 對四旋翼無人機進行仿真控制，利用PID Tuner 工具箱整定參數并進行對比驗證。調試串級PID 時先把外環(huán)去除，將外環(huán)比例增益Kp設置成1。在調整內環(huán)Kp時將Kp逐漸增大，再撥動飛機，此時飛機會逐漸開始震蕩，當飛機能快速震蕩以后，再緩慢調小Kp，將震蕩減小。接著調整內環(huán)Kd，緩慢增加Kd，直到飛機抖動逐漸減小，如果增加到一定程度，再次出現(xiàn)震蕩，則表示Kd過大，此時只要減小Kd，使飛機保持輕微震蕩即可。再調整內環(huán)Ki（方法同Kd），緩慢增加Ki，直到消除最后輕微震蕩，此時飛機可以快速抵抗角度偏移。

在整定外環(huán)Kp時，緩慢增大外環(huán)Kp，直到飛機能快速響應打舵，并且使飛機不再震蕩。內環(huán)Kp，Ki，Kd大了都會震蕩，且震蕩頻率p

圖6 PID Tuner工具箱參數整定圖Fig.6 Parameter setting diagram of PID Tuner toolbox

通過在MATLAB 上仿真PID，基本了解串級PID 的實際作用。Kp要選取合適值，過大會產生震蕩，過小會產生超常量，從小到大調節(jié)緩慢。太大的Kd值會導致毛刺抖動，太小則會出現(xiàn)異常。Ki值大了后，雖然調節(jié)很快，但也會產生過沖，出現(xiàn)尖峰脈沖，小了導致調節(jié)很慢，可能無法調試達到穩(wěn)定狀態(tài)。

總結以上三點，得出以下規(guī)律：在調試PID 時，Kp從小到大調試，Kd從小到大調試，Ki從小到大調試。每次只調一個參數，直到最滿意的時候，再調下個參數。表1給出了PID 的參數。

表1 PID參數Table 1 PID Parameters

4 姿態(tài)飛行測試

首次飛行前，需要檢測傳感器數據是否正常，姿態(tài)解算是否正常以及電機轉向和槳葉是否正常。檢測傳感器數據是否正常主要檢查加速度計和陀螺儀數據是否出現(xiàn)全部數據為0 的情況，傳感器靜態(tài)校正后數據是否剛好滿量程。電機轉向檢查是否正常，根據發(fā)電機轉向俯視飛機右上角電機逆時針轉動為標準，由于相鄰電機具有相反轉向，對角電機具有相同轉向，所以電機序號要與定義的相同。

利用MATLAB 進行模擬，驗證PID 控制系統(tǒng)效果，選擇四旋翼無人機的內部變量配置見表2。

表2 四旋翼無人機內部變量配置Table 2 Internal variable configuration of quadrotor UAV

5 結語

本文研究的四旋翼無人機，以MSP432 微控制器為核心，結合硬件和軟件分析實驗，通過MPU6050 傳感器信息采集與數據處理，結合無人機飛行姿態(tài)，改進傳統(tǒng)的PID控制算法。四旋翼無人機完成飛控系統(tǒng)設計采用MATLAB仿真模擬進行參數整定，實現(xiàn)姿態(tài)探測。通過多次對無人機的飛行控制系統(tǒng)測試和試驗，驗證了基于MSP432 單片機的四旋翼無人機控制系統(tǒng)的可行性。