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,也是一種娛樂機(jī)器人。它利用旋翼來進(jìn)行空中飛行,用于娛樂,它能彈鋼琴曲。四軸飛行器其構(gòu)造特點是在它的四個角上各裝有一旋翼,由電機(jī)分別帶動,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,它還通過電子調(diào)控器來保證其快速飛行。
1.慣性測量傳感器
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的器件。國際電工委員會(IEC:International Electrotechnical Committee)的定義為:“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件,它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是:“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)的一個組成部分,它是被測量信號輸入的第一道關(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:有源的和無源的。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源。
慣性測量傳感器是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量傳感器,出廠前已經(jīng)對產(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個角速率信號、3個線加速度計信號、3個溫度傳感器信號和電源電壓信號。
2 應(yīng)用電路設(shè)計
公司的32位STM32系列微控制器是專門為微控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)等對功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計的。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個通用定時器、1個高級控制定時器、7個獨立的DMA通道、1個USB接口、3個USART接口、2個SPI接口和2個I2C接口。
2.1 ADlSl6355接口電路
與STM32F103VB通過標(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。時鐘極性配置為空閑狀態(tài)時,SCK保持高電平;時鐘相位配置為數(shù)據(jù)采樣從第二個時鐘邊沿開始。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)直接存儲在定義好的數(shù)組里。STM32F103VB的SPI接口配置程序如下:
2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊及其接口
無線數(shù)據(jù)傳輸是指利用無線傳輸模塊將工業(yè)現(xiàn)場設(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_關(guān)量,也可以做到遠(yuǎn)程設(shè)備遙測遙控。無線數(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,適合于點多而分散、地理環(huán)境復(fù)雜等應(yīng)用場合。該設(shè)備提供點對點通信,也可以實現(xiàn)點對多點通信,不需要編寫程序,不需要布線。一般電工調(diào)試也可以通過。無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備廣泛應(yīng)用于無線數(shù)傳領(lǐng)域,典型應(yīng)用包括遙控、遙感、遙測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、檢測、報警、過程控制等環(huán)節(jié)。
無線數(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)射時工作電流只有10.5 mA,接收時工作電流只有18 mA。實際使用時其無線傳輸距離可達(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)計如圖3所示。
2.3 電源模塊
電源模塊主要為STM32F103VB、ADISl6355和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊供電,其電路設(shè)計如圖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。
3 四軸飛行器姿態(tài)估計
四軸飛行器的姿態(tài)主要指它在地面坐標(biāo)系中的3個姿態(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對陀螺的角速度積分得到,也可通過3個軸向的加速度推算出來,但偏航角只能對角速度積分得到。由于在四軸飛行器測試平臺上檢測姿態(tài),對偏航角先不做要求。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個軸向的線速度,p、q、r為機(jī)體坐標(biāo)系下繞3個軸的角速度,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。在試驗平臺上檢測時,四軸飛行器的位置固定不變,上式可簡寫成:
其中,為加速度計測得的加速度,通過式(2)可推算得到俯仰角和橫滾角如下:
配置陀螺的測量范圍為±300°/s,1 min內(nèi)測得的ADISl6355三個軸的角速度、加速度和溫度曲線如圖5所示。在約19 s時使飛行器繞x軸進(jìn)行滾轉(zhuǎn)運動,在約45 s時使飛行器恢復(fù)到剛開始的靜止?fàn)顟B(tài)。由圖5可知,靜止時角速度的輸出范圍為±2°/s,x、y軸加速度計的輸出范圍為±O.015 g,溫度由26℃到30℃逐步上升。
對角速度進(jìn)行積分得到飛行器的三個姿態(tài)角,如圖6所示。通過式(3)由加速度信息推算的兩個角度如圖7所示。對比圖6和圖7可知,由角速度積分得到的角度最終不是靜止時的0°。原因是陀螺存在漂移,隨著時間的積累,測量的誤差會在積分中一直累加,而由加速度信息推算出來的角度就不存在漂移。圖7中約第24 s時,y軸角度出現(xiàn)一個峰值(高達(dá)70°),而實際的旋轉(zhuǎn)角度只在±30°之間,其原因是振動引起加速度值突增,導(dǎo)致推算出的角度過大。
結(jié)語
實際使用中,加速度計對振動非常敏感,應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的場合對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。四軸飛行器具有4個無刷電機(jī),實際飛行時電機(jī)引起的振動非常大,如果簡單地通過加速度來推算角度就會出現(xiàn)很多圖7中第24 s的尖點,與實際情況不符合。
本文使用STM32F103VB單片機(jī)對慣性測量傳感器ADISl6355進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送回計算機(jī)。利用ADISl6355對四軸飛行器姿態(tài)進(jìn)行檢測,可分別利用角速度信息和加速度信息對飛行器姿態(tài)進(jìn)行估計,兩種方法各有優(yōu)缺點,在實際使用時要綜合進(jìn)行考慮。
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