引言

四軸飛行器是瑞士科技人員研制成的一種新型飛行器，也是一種娛樂(lè)機(jī)器人。它利用旋翼來(lái)進(jìn)行空中飛行，用于娛樂(lè)，它能彈鋼琴曲。四軸飛行器其構(gòu)造特點(diǎn)是在它的四個(gè)角上各裝有一旋翼，由電機(jī)分別帶動(dòng)，葉片可以正轉(zhuǎn)，也可以反轉(zhuǎn)。為了保持飛行器的穩(wěn)定飛行，在四軸飛行器上裝有3個(gè)方向的陀螺儀和3 軸加速度傳感器組成慣性導(dǎo)航模塊，它還通過(guò)電子調(diào)控器來(lái)保證其快速飛行。

1.慣性測(cè)量傳感器

傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC:International Electrotechnical Committee）的定義為：“傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理（模擬或數(shù)字）能力的系統(tǒng)”。傳感器是傳感系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測(cè)量信號(hào)輸入的第一道關(guān)口。傳感器把某種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量。有兩類(lèi)：有源的和無(wú)源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉(zhuǎn)變成另一種，不需要外接的能源或激勵(lì)源。

慣性測(cè)量傳感器是ADI公司推出的一款具有-40～85℃溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn)、SPI接口輸出的六自由度慣性測(cè)量傳感器，出廠前已經(jīng)對(duì)產(chǎn)品的零偏和靈敏度進(jìn)行了全溫校準(zhǔn)。ADISl6355的輸出零偏穩(wěn)定性為0.015°／s，溫度系數(shù)為0.008（°／s）／℃，角度隨機(jī)游走為4.2°／s，適于精度要求較高的應(yīng)用。ADISl6355的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。傳感器內(nèi)部完成了信號(hào)的采集、校準(zhǔn)與濾波處理，具有自檢功能，還有1路ADC輸入、1路DAC輸出和2路數(shù)字I／O。SPI接口能夠輸出3個(gè)角速率信號(hào)、3個(gè)線加速度計(jì)信號(hào)、3個(gè)溫度傳感器信號(hào)和電源電壓信號(hào)。

2 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

公司的32位STM32系列微控制器是專(zhuān)門(mén)為微控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等對(duì)功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的。ST-M32F103VB是一款基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)處理器，工作頻率高達(dá)72 MHz，具有3個(gè)通用定時(shí)器、1個(gè)高級(jí)控制定時(shí)器、7個(gè)獨(dú)立的DMA通道、1個(gè)USB接口、3個(gè)USART接口、2個(gè)SPI接口和2個(gè)I2C接口。

2.1 ADlSl6355接口電路

與STM32F103VB通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SPI接口進(jìn)行連接，其硬件接口電路如圖2所示。ADIS16355的SCLK、DOUT、DIN、CS、RST腳分別與ST-M32F103VB的SPll～SCK、SPll_MISO、SPll_MOSI、SPll_NSS、PB0腳連接。

的SPI接口配置為全雙工主模式，每幀傳輸16位數(shù)據(jù)，每幀先發(fā)送MSB。時(shí)鐘極性配置為空閑狀態(tài)時(shí)，SCK保持高電平；時(shí)鐘相位配置為數(shù)據(jù)采樣從第二個(gè)時(shí)鐘邊沿開(kāi)始。通信的波特率配置為64分頻，為1.125 MHz。為提高SPI的速度，降低CPU資源的使用率，采用了SPI的DMA模式，SPI接收到的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在定義好的數(shù)組里。STM32F103VB的SPI接口配置程序如下：

2.2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊及其接口

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是指利用無(wú)線傳輸模塊將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備輸出的各種物理量進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，如果傳輸?shù)氖情_(kāi)關(guān)量，也可以做到遠(yuǎn)程設(shè)備遙測(cè)遙控。無(wú)線數(shù)傳設(shè)備DTD433可以提供高穩(wěn)定、高可靠、低成本的數(shù)據(jù)傳輸。它提供了透明的RS232/RS485接口，具有安裝維護(hù)方便、繞射能力強(qiáng)、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活、大范圍覆蓋等特點(diǎn)，適合于點(diǎn)多而分散、地理環(huán)境復(fù)雜等應(yīng)用場(chǎng)合。該設(shè)備提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，也可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，不需要編寫(xiě)程序，不需要布線。一般電工調(diào)試也可以通過(guò)。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備廣泛應(yīng)用于無(wú)線數(shù)傳領(lǐng)域，典型應(yīng)用包括遙控、遙感、遙測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)、報(bào)警、過(guò)程控制等環(huán)節(jié)。

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊使用的是nRF2401芯片，它工作于2.4GHz ISM頻段，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。該模塊功耗非常低，以-5 dBm的功率發(fā)射時(shí)工作電流只有10.5 mA，接收時(shí)工作電流只有18 mA。實(shí)際使用時(shí)其無(wú)線傳輸距離可達(dá)30 m，最大傳輸速率可達(dá)1000 kbps。單片機(jī)和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的連接使用普通的I／O口，其電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.3 電源模塊

電源模塊主要為STM32F103VB、ADISl6355和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊供電，其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。鋰電池提供的11.1 V電源經(jīng)ASMlll7-5.O轉(zhuǎn)換為5 V，再經(jīng)過(guò)ASMlll7-3.3轉(zhuǎn)換為3.3 V。其中，5 V為ADISl6355提供電源，3.3 V為STM32F103VB和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊提供電源。Dl是用于電源指示的LED，Rl為O.5 A可恢復(fù)保險(xiǎn)。

3 四軸飛行器姿態(tài)估計(jì)

四軸飛行器的姿態(tài)主要指它在地面坐標(biāo)系中的3個(gè)姿態(tài)角，即俯仰角、橫滾角和偏航角。其中，俯仰角和橫滾角可以通過(guò)對(duì)陀螺的角速度積分得到，也可通過(guò)3個(gè)軸向的加速度推算出來(lái)，但偏航角只能對(duì)角速度積分得到。由于在四軸飛行器測(cè)試平臺(tái)上檢測(cè)姿態(tài)，對(duì)偏航角先不做要求。四軸飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng)模型中3個(gè)軸向的加速度可表示為：

其中，u、v、w為機(jī)體坐標(biāo)系下3個(gè)軸向的線速度，p、q、r為機(jī)體坐標(biāo)系下繞3個(gè)軸的角速度，θ、φ為四軸飛行器的俯仰角和橫滾角，U1為總的升力，m為飛行器的質(zhì)量。在試驗(yàn)平臺(tái)上檢測(cè)時(shí)，四軸飛行器的位置固定不變，上式可簡(jiǎn)寫(xiě)成：

其中，為加速度計(jì)測(cè)得的加速度，通過(guò)式（2）可推算得到俯仰角和橫滾角如下：

配置陀螺的測(cè)量范圍為±300°／s，1 min內(nèi)測(cè)得的ADISl6355三個(gè)軸的角速度、加速度和溫度曲線如圖5所示。在約19 s時(shí)使飛行器繞x軸進(jìn)行滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在約45 s時(shí)使飛行器恢復(fù)到剛開(kāi)始的靜止?fàn)顟B(tài)。由圖5可知，靜止時(shí)角速度的輸出范圍為±2°／s，x、y軸加速度計(jì)的輸出范圍為±O.015 g，溫度由26℃到30℃逐步上升。

對(duì)角速度進(jìn)行積分得到飛行器的三個(gè)姿態(tài)角，如圖6所示。通過(guò)式（3）由加速度信息推算的兩個(gè)角度如圖7所示。對(duì)比圖6和圖7可知，由角速度積分得到的角度最終不是靜止時(shí)的0°。原因是陀螺存在漂移，隨著時(shí)間的積累，測(cè)量的誤差會(huì)在積分中一直累加，而由加速度信息推算出來(lái)的角度就不存在漂移。圖7中約第24 s時(shí)，y軸角度出現(xiàn)一個(gè)峰值（高達(dá)70°），而實(shí)際的旋轉(zhuǎn)角度只在±30°之間，其原因是振動(dòng)引起加速度值突增，導(dǎo)致推算出的角度過(guò)大。

結(jié)語(yǔ)

實(shí)際使用中，加速度計(jì)對(duì)振動(dòng)非常敏感，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)合對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。四軸飛行器具有4個(gè)無(wú)刷電機(jī)，實(shí)際飛行時(shí)電機(jī)引起的振動(dòng)非常大，如果簡(jiǎn)單地通過(guò)加速度來(lái)推算角度就會(huì)出現(xiàn)很多圖7中第24 s的尖點(diǎn)，與實(shí)際情況不符合。

本文使用STM32F103VB單片機(jī)對(duì)慣性測(cè)量傳感器ADISl6355進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送回計(jì)算機(jī)。利用ADISl6355對(duì)四軸飛行器姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，可分別利用角速度信息和加速度信息對(duì)飛行器姿態(tài)進(jìn)行估計(jì)，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際使用時(shí)要綜合進(jìn)行考慮。