基于ARM的四軸飛行器協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計
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王茂森，祁 建，戴勁松
（南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）
摘要：基于目前很流行的多軸飛行器，，提出了一主多從多機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。主機以ARM架構(gòu)微處理器S3C6410為主控核心，采用Linux操作系統(tǒng)作為S3C6410軟件開發(fā)平臺。從機采用STM32為控制核心，多機間基于2.4 G無線通訊模塊進行信息交互。介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計、各節(jié)點間通信設(shè)計、主從機底層行為控制，并進行了相關(guān)測試，試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足多機協(xié)調(diào)控制的要求。
關(guān)鍵詞：ARM；多軸飛行器；協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)
中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A
0 引言
四軸飛行器近年來在無人機領(lǐng)域廣受歡迎，它可以作為個人或團隊工具，已經(jīng)被設(shè)想用于各種自主平臺中�；谇度胧教幚砥骷虞d嵌入式實時操作系統(tǒng)來構(gòu)建飛行控制系統(tǒng)是目前國內(nèi)外的主要研究方向，嵌入式Linux系統(tǒng)具有開放的源碼、豐富的軟件資源、功能強大的內(nèi)核，性能高效穩(wěn)定。基于Arm-linux的四軸飛行器的研究可以使得無人機的性能得到大大提高，為無人機處理各種任務(wù)提供了強有力的軟、硬件基礎(chǔ)，可以很方便地擴展無人機功能需求。本文介紹～種基于ARM的四軸飛行器協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計。
l 飛控系統(tǒng)總體設(shè)計
1.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
整個飛控系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，地面和主機之間采用PPM無線遙控控制，主機和從機之間采用2.4G無線通訊進行信息交換。主機采用ARM11(S3C6410)，其具備強大事務(wù)管理能力，專門負責決策規(guī)劃。每個從機均采用AEM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407，實時采集處理陀螺儀、加速度計電子羅盤、GPS等超聲波傳感信息。操作者實時監(jiān)控飛機的飛行姿態(tài)和方位，通過遙控器給主機發(fā)送飛行指令，主機通過NRF24L01 2.4G無線通訊模塊將控制指令傳輸給各從機，從機通過2. 4G無線模塊實時將自己的位姿信息上傳給主機，主機根據(jù)操作者給定的控制命令結(jié)合從機傳上來的位姿信息計算出每架飛機的飛行路徑和速度。整個控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計同時具備了實時性、可靠性、安全性和可擴展性。由于飛控系統(tǒng)采用主從模塊設(shè)計，大大節(jié)約了成本，提高了控制的靈活性，縮短了開發(fā)周期。飛控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1.2主機飛控系統(tǒng)設(shè)計
硬件上針對三星的S3C6410核心板，設(shè)計出一套底板，底板上載有HMC5883L電子羅盤、MPU6050陀螺儀和加速度計、HY-SRF05超生波模塊，并留有串口、SPI總線、IIC、IO口、PWM輸出等擴展口，用來連接GPS、電機、攝像機云臺這些擴展模塊。軟件上主機飛控系統(tǒng)是基于嵌入式Linux系統(tǒng)平臺搭建的，首先要移植U-Boot來引導(dǎo)Linux內(nèi)核，然后裁剪配置Linux內(nèi)核將其移植到S3C6410上面，最后移植Linux根文件系統(tǒng)來存放應(yīng)用程序、必要的庫和需要加載的模塊。根據(jù)Linux內(nèi)核版本編寫相應(yīng)的板載硬件驅(qū)動，按照一個設(shè)備對應(yīng)一個驅(qū)動程序的原則，本文主要編寫了羅盤( HMC5883L)、慣性模塊(MPU6050)、遙控接收(PPM)、2.4G無線信號接收(NRF24L01)、GPS串口接收等底層硬件驅(qū)動并將其加載到內(nèi)核中，然后在Windows環(huán)境下編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序，利用cuteftp將應(yīng)用程序下載到Linux環(huán)境中，運行應(yīng)用程序，調(diào)用編寫的底層硬件驅(qū)動實現(xiàn)整個飛控系統(tǒng)的各項功能。主機飛控系統(tǒng)控制流程如圖2所示。
1.3 從機飛控系統(tǒng)設(shè)計
從機控制系統(tǒng)采用STM32F407VGT6作為主控器，硬件上從機板載硬件資源和主機一樣，包含有各種慣性傳感器和無線傳輸模塊等，其軟件編程相對簡單，直接在Keil軟件中調(diào)用官方的庫函數(shù)編寫相關(guān)的應(yīng)用程序來驅(qū)動相關(guān)硬件，無需像主機那樣編寫相關(guān)驅(qū)動。從機飛控系統(tǒng)控制流程如圖3所示，主、從機飛控板硬件連線圖如圖4所示。
2 飛控算法設(shè)計
整個飛控算法中重要的幾個模塊為姿態(tài)解算、姿態(tài)控制、編隊飛行，下面就著重對這3個方面進行介紹。
2.1 姿態(tài)解算
姿態(tài)角是控制四軸的依據(jù)，要控制四軸到正確的角度．就必須有一個正確的角度，它包括3個歐拉角的靜態(tài)正確和動態(tài)準確。要計算出水平的2個歐拉角，最簡單的方法是利用加速度計，計算重力加速度在各軸上的投影，通過反三角函數(shù)就能計算出姿態(tài)，但實際上，加速度不止重力加速度，還有運動加速度和噪聲加速度，所以由此計算出來的歐拉角有噪聲，不能用來控制四軸。
再者就是利用3個角速度，角速度的特點是噪聲低，不會受運動的干擾。但如前所述想要四軸能自平衡，需要的是角度，而用角速度直接積分的角度，沒有平衡點參照，積分會導(dǎo)致偏移。
將三維物體的簡單旋轉(zhuǎn)運動投影到二維圖像中，就成了復(fù)雜的形態(tài)變化。而四元數(shù)把復(fù)雜的三維姿態(tài)運動放到四維空間中，使其成為簡單的運動。每一個軸都要用另外的軸來融合，最后計算出角速度積分得到角度，再與加速度進行融合。姿態(tài)解算驗證見圖5。
通過旋轉(zhuǎn)軸和繞該軸旋轉(zhuǎn)的角度可以構(gòu)造一個四元數(shù)：
其中：α為機體坐標系繞地理坐標系旋轉(zhuǎn)的角度；cosβx、cosβy、cosβz分別為旋轉(zhuǎn)軸在地理坐標系x、y、z軸上的分量。
由于載體的運動，四元數(shù)q是變量，其微分方程的矩陣形式為：
四元數(shù)到歐拉角的轉(zhuǎn)換公式為：
2.2 姿態(tài)控制
飛控就是高頻率不停地修正四軸的姿態(tài)。本設(shè)計使用自穩(wěn)模式的控制算法，需要用到六軸平衡芯片MPU6050。使用加速度和陀螺儀直接計算出歐拉角，即四軸相對水平面的角度，至于航向角則利用羅盤矯正到經(jīng)緯坐標角上�？刂扑惴ǖ暮诵乃枷胧怯媒嵌萈ID控制四軸：P項為角度偏差乘以比例系數(shù)；D項為角度偏差進行微分（對其化簡可以直接用MPU6050輸出的角速度值來替代）再乘以微分系數(shù)；I項為對角度偏差進行積分再乘以積分系數(shù)。即：
電機輸出量一比例系數(shù)×角度偏差十積分系數(shù)×角度偏差的積分十微分系數(shù)×角速度．
下面以控制俯仰角pit為例說明具體編程算法：
2.3編隊飛行
由于本設(shè)計中是3個四軸飛行器按照指定的隊列向前飛行，編隊算法采用領(lǐng)導(dǎo)者一跟隨者的模式。S3C6410作為領(lǐng)導(dǎo)者，兩架Stm32F407作為跟隨者，領(lǐng)導(dǎo)者接收地面的控制命令飛往指定目標，跟隨者通過無線模塊實時將自己的方位和高度信息傳給領(lǐng)導(dǎo)者，領(lǐng)導(dǎo)者根據(jù)它們的位置信息發(fā)送控制命令給跟隨者以保持原有的隊形。由于本設(shè)計的四軸飛行器是用于高空飛行偵探的，考慮到高空中幾乎無障礙影響，因此這里暫不考慮避障問題，編寫算法時只要保證三架飛機之間的經(jīng)緯度能保持固定的關(guān)系，則它們就能保持固定的隊形向前飛行。主、從機間的數(shù)據(jù)通訊見圖6。
3 試驗與分析
本文對飛控的姿態(tài)解算、姿態(tài)控制、多機間通訊進行測試。測試如下：使用串口助手，擺動飛控板實時觀察飛機的姿態(tài)值；發(fā)送遙控命令，結(jié)合當前的姿態(tài)值觀察電機輸出量；從機通過NRF94L01無線模塊將自己的GPS位置值傳給主機，主機通過串口顯示出來。由測試結(jié)果可知，本套飛控系統(tǒng)在姿態(tài)解算、姿態(tài)控制、多機間協(xié)作通訊方面都是可行的。整機飛行控制效果驗證見圖7，四軸飛行器實物圖見圖8。
4 結(jié)語
應(yīng)用該套飛控系統(tǒng)進行了初步的單機飛行控制試驗和多機間信息交換通訊試驗，得到了良好的運行效果。系統(tǒng)有著很好的實時性、可靠性，同時為今后多機間編隊避障飛行、環(huán)境識別等提供了很好的軟、硬件平臺。為了更好地發(fā)揮整套群集控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，還需要深入研究編隊算法，采用Linux多線程調(diào)度、多傳感融合技術(shù)等相關(guān)算法進行優(yōu)化，使其在未來的軍事和民用中發(fā)揮更大的作用。
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Design of Coordinated Control System for Quadrocopter Based on ARM
WANG Mao-sen, QI Jian, DAI Jin-song
( School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)
Abstract: Based on the very popular multi-axis aircraft, a master-slave multi-machine coordinated control system is proposed. The master using ARM microprocessor S3C6410 as core takes Linux as its software development platform. The slave uses STM32 as core, the communication between the master and slaves is designed based on 2. 4G wireless communication module. The overall design of the system, the design of communication between each node, the underlying behavioral control of the master and slave are introduced in this paper. Related tests are also carried out, and the results show that the system can meet the requirements of multi-machine coordinated control.
Key words: ARM; multi-axis aircraft; coordinated control system
