1、<p>　　四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　四旋翼飛行器與普通飛行器相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低和單位體積能夠產(chǎn)生更大的升力等優(yōu)點(diǎn)；而且四旋翼飛行器非常適合在狹小的空間內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。因此，四旋翼飛行器具有廣闊的應(yīng)用前景，吸引了眾多的科研人員，成為國(guó)內(nèi)外新的研宄熱點(diǎn)。飛行控制器是四旋翼飛行器最核心的部分，飛

2、行器通過飛行控制器與外界交互并做出反應(yīng)，使得飛行器能夠在沒有外界操縱干預(yù)的情況下自主飛行。飛行控制器性能的優(yōu)劣直接決定著飛行器的性能，因此研制高性能的飛行控制器具有十分重要的意義。同時(shí)，飛行控制器的設(shè)計(jì)和研發(fā)涉及電子、通信、自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)等多種學(xué)科，在技術(shù)上具有相當(dāng)大的前沿性。</p><p>　　本文首先介紹了四旋翼飛行器的課題背景和研宄現(xiàn)狀，進(jìn)而又介紹了四旋翼飛行器的控制原理。</p><

3、p>　　其次介紹了四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要包括器件選型和電路設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。飛行控制系統(tǒng)的主控制器選用了ATmega2560微控制器，傳感器選用了MPU6050、HMC5883電子羅盤</p><p>　　隨后又介紹了ATmega2560最小系統(tǒng)、傳感器模塊和電源管理模塊的電路設(shè)計(jì)。再次詳細(xì)介紹了四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要包括坐標(biāo)系和姿態(tài)角定義以及姿態(tài)計(jì)算方法，最后設(shè)計(jì)了一套基于四元數(shù)的

4、姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。隨后又介紹了PID控制算法并設(shè)計(jì)了姿態(tài)控制系統(tǒng)。</p><p>　　關(guān)鍵詞　四旋翼飛行器; 飛行控制器; 四元數(shù); PID控制算法</p><p>　　Design of Quadrotor Aircraft Control System</p><p><b>　　Abstract</b></p><p&g

5、t;　　Compared to the ordinary aircraft, quadrotor aircraft has the advantages of simplerstructure, lower failure rate,each unit of volume can produce greater lift and so on. Therefore,quadrotor aircraft has a broad prospe

6、ct of application that attractes many researchers andbecomes the new hot topics at home and abroad.Quadrotor aircraft flight controller is the most central part of the aircraft,nablingaircrafts to autonomous flight witho

7、ut manipulation from outside.Therefore,the developmentof high pe</p><p>　　Firstly, this article describes the quadrotor aircraft's background and current status of research,then introduces the quadrotor

8、aircraft's flying principle. </p><p>　　Secondly, this article introduces the hardware design of the quadrotor aircraft's flight system. Chose microcontroller ATmega2560 as the flight controller's

9、 main controller and chose sensors as following: mpu6050, electronic compass HMC5883.</p><p>　　Thirdly,this article introduces the software design of the quadrotor aircraft's flight system in detail. Inc

10、luding ,coordinate system,the definition of attitude angles and the calculation method of attitude.Atlas,designs a attitude detection system based on quaternion and kalman filter. After that,introduces the PID control al

11、gorithm and designs a attitude control system .</p><p>　　Keywords　Quadrotor aircraft; Flight control system; PIDcontrol algorithm</p><p>　　不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印</p><p><b>　　目 錄&

12、lt;/b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p>

13、<p>　　1.3 研究目的與意義3</p><p>　　1.4 研究?jī)?nèi)容3</p><p>　　第2章 總體方案設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1 總體方案設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1.1 總體方案4</p><p>　　2.1.2 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)4</p><p>

14、　　2.2 四軸飛行器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理5</p><p>　　2.3 主要器件選型6</p><p>　　2.3.1 電機(jī)選型6</p><p>　　2.3.2 螺旋槳選型6</p><p>　　2.3.3 傳感器選型7</p><p>　　2.3.4 處理器選型7</p><

15、p>　　2.4 本章小結(jié)8</p><p>　　第3章 硬件電路設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1 單片機(jī)模塊9</p><p>　　3.1.1 ATmega2560單片機(jī)簡(jiǎn)介9</p><p>　　3.1.2 ATmega2560單片機(jī)輸入輸出9</p><p>　　3.1.3 ATmega2560單

16、片機(jī)工作電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.2 姿態(tài)獲取模塊11</p><p>　　3.2.1 MPU6050傳感器11</p><p>　　3.2.2 HMC5883L電子羅盤13</p><p>　　3.2.3 I2C通信協(xié)議15</p><p>　　3.2.4 MPU6050及HMC5883L工作電

17、路17</p><p>　　3.3 無線模塊17</p><p>　　3.3.1 NRF24L01簡(jiǎn)介18</p><p>　　3.3.2 NRF24L01工作模式18</p><p>　　3.3.3 NRF24L01數(shù)據(jù)包處理方式19</p><p>　　3.3.4 SPI通信協(xié)議21</p>

18、<p>　　3.3.5 nRF24L01工作電路23</p><p>　　3.4 串口通信模塊24</p><p>　　3.4.1 MAX232芯片簡(jiǎn)介24</p><p>　　3.4.2 MAX232芯片引腳介紹25</p><p>　　3.4.3 串口通信電路25</p><p>　　3.5

19、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊26</p><p>　　3.6 電源模塊26</p><p>　　3.7 本章小結(jié)27</p><p>　　第4章 控制算法介紹及主要程序設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.1 控制算法介紹28</p><p>　　4.1.1 姿態(tài)解算28</p><p>　　4.1.

20、2 融合算法29</p><p>　　4.1.3 控制算法31</p><p>　　4.2 軟件設(shè)計(jì)33</p><p>　　4.2.1 整體軟件流程34</p><p>　　4.2.2 無線通訊程序設(shè)計(jì)34</p><p>　　4.2.3 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)融合程序設(shè)計(jì)36</p><p&

21、gt;　　4.3 本章小結(jié)37</p><p><b>　　結(jié)論38</b></p><p><b>　　致謝39</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b></p><p><b>　　附錄A41</b></p>&

22、lt;p><b>　　附錄B47</b></p><p><b>　　附錄C51</b></p><p><b>　　附錄D52</b></p><p>　　四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)I</p><p><b>　　摘要I</b></p

23、><p>　　Design of Quadrotor Aircraft Control SystemII</p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目 錄III</b></p><p>　　AbstractIITOC \o "1-3" \h \u III</

24、p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 研究目的與意義3</p><p>　　1.4 研究?jī)?nèi)容3</p><p>　　第2章 總體方案設(shè)計(jì)4&l

25、t;/p><p>　　2.1 總體方案設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1.1 總體方案4</p><p>　　2.1.2 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)4</p><p>　　2.2 四軸飛行器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理5</p><p>　　2.3 主要器件選型6</p><p>　　2.3.1 電機(jī)選型

26、6</p><p>　　2.3.2 螺旋槳選型6</p><p>　　2.3.3 傳感器選型7</p><p>　　2.3.4 處理器選型7</p><p>　　2.4 本章小結(jié)8</p><p>　　第3章 硬件電路設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1 單片機(jī)模塊9</p&g

27、t;<p>　　3.1.1 ATmega2560單片機(jī)簡(jiǎn)介9</p><p>　　3.1.2 ATmega2560單片機(jī)輸入輸出9</p><p>　　3.1.3 ATmega2560單片機(jī)工作電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.2 姿態(tài)獲取模塊11</p><p>　　3.2.1 MPU6050傳感器11</

28、p><p>　　3.2.2 HMC5883L電子羅盤13</p><p>　　3.2.3 I2C通信協(xié)議15</p><p>　　3.2.4 MPU6050及HMC5883L工作電路17</p><p>　　3.3 無線模塊17</p><p>　　3.3.1 NRF24L01簡(jiǎn)介18</p>&l

29、t;p>　　3.3.2 NRF24L01工作模式18</p><p>　　3.3.3 NRF24L01數(shù)據(jù)包處理方式19</p><p>　　3.3.4 SPI通信協(xié)議21</p><p>　　3.3.5 nRF24L01工作電路23</p><p>　　3.4 串口通信模塊24</p><p>　　3

30、.4.1 MAX232芯片簡(jiǎn)介24</p><p>　　3.4.2 MAX232芯片引腳介紹25</p><p>　　3.4.3 串口通信電路25</p><p>　　3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊26</p><p>　　3.6 電源模塊26</p><p>　　3.7 本章小結(jié)27</p><

31、p>　　第4章 控制算法介紹及主要程序設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.1 控制算法介紹28</p><p>　　4.1.1 姿態(tài)解算28</p><p>　　4.1.2 融合算法29</p><p>　　4.1.3 控制算法31</p><p>　　4.2 軟件設(shè)計(jì)33</p><

32、;p>　　4.2.1 整體軟件流程34</p><p>　　4.2.2 無線通訊程序設(shè)計(jì)34</p><p>　　4.2.3 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)融合程序設(shè)計(jì)36</p><p>　　4.3 本章小結(jié)37</p><p><b>　　結(jié)論38</b></p><p><b>　

33、　致謝39</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b></p><p><b>　　附錄A41</b></p><p><b>　　附錄B47</b></p><p>　　附錄C 系統(tǒng)整體電路51</p><p>　　

34、附錄D 全部程序清單52</p><p>　　千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景</b></p><p>

35、;　　早在上個(gè)世紀(jì)中葉，多旋翼飛行器就已經(jīng)受到了海外一些研究機(jī)構(gòu)的矚目。多旋翼飛行器雖然機(jī)械構(gòu)造與飛行原理都很簡(jiǎn)單，但對(duì)傳感器類與控制理論上的要求非常高,所以一直到本世紀(jì)初期，MEMS傳感器技術(shù)及嵌入式控制系統(tǒng)科技的高速發(fā)展使得多旋翼無人機(jī)的研究終于得到了突破。特別是歐美的一些先進(jìn)國(guó)家，在小型，超小型無人機(jī)研究領(lǐng)域中，多旋翼無人機(jī)已逐步取代直升機(jī)式無人機(jī)，成為旋翼無人機(jī)研究的主流。歐美據(jù)有代表性的科研團(tuán)隊(duì)有美國(guó)的MIT，德國(guó)的Ascen

36、ding Technology，法國(guó)的Hesychastic，美國(guó)的Pennsylvania等。作為產(chǎn)品來開發(fā)的主要有Dragonfly，Micropterous等企業(yè)。這些團(tuán)隊(duì)與企業(yè)早在本世紀(jì)初期就已經(jīng)著手于多旋翼無人機(jī)的研究開發(fā)，分別在06，07年前后研發(fā)出各自的新型機(jī)體，并在市場(chǎng)上開始了販賣。其中Micro drones的產(chǎn)品性能最為穩(wěn)定，價(jià)格也最為昂貴，最低檔的產(chǎn)品也要在40萬人民幣左右。缺點(diǎn)是因?yàn)椴捎玫氖堑娃D(zhuǎn)速的電機(jī)，抗風(fēng)能力

37、弱，載重能力較差，只能搭載200g以下的數(shù)碼相機(jī)，很難搭載其他的傳感器來執(zhí)行任務(wù)。Dragonfly雖然是最早推出產(chǎn)品的公司，</p><p>　　隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已逐漸從軍用過渡到民用，警用。低造價(jià)，高飛行性能的多旋翼無人機(jī)無疑會(huì)對(duì)這個(gè)過渡起到一個(gè)極大的推動(dòng)作用。無論在氣象勘測(cè)，災(zāi)情調(diào)查，環(huán)境保護(hù)等民用領(lǐng)域，還是針對(duì)追捕逃犯，瓦解恐怖活動(dòng)等的警用領(lǐng)域，都有著很大的需求空間。各界人士已經(jīng)提出了對(duì)多

38、旋翼無人機(jī)的期待希望未來的幾年，國(guó)內(nèi)對(duì)多旋翼無人機(jī)的研發(fā)能夠取得突破，研發(fā)出中國(guó)自己的高性能無人機(jī)。</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　現(xiàn)在存在的四旋翼飛行器大致分為三類：一種是利用無線電進(jìn)行遙控的四旋翼飛行器，另外一種是自主控制的中小型的四旋翼飛行器，還有一種是自主控制的微型四旋翼飛行器這幾種飛行器都屬于小型的無人飛行器。<

39、;/p><p>　　現(xiàn)在的遙控航模四旋翼飛行器已經(jīng)有了很多的產(chǎn)品，其中非常著名的產(chǎn)品是美國(guó)Dra-ganflyer公司研究開發(fā)的Draganflyerlll和香港的銀輝(silveiiit)玩具制品有限公司研制和開發(fā)的X-UFO。Draganflyerlll是一款世界上非常著名的遙控四旋翼飛行器,通常被用作航拍。機(jī)體最大長(zhǎng)度(翼尖到翼尖)76.2cm，高18cm,重0.48lcg；旋翼直徑28 cm，重6g；有效載荷

40、0.11kg；可持續(xù)飛行16-20min。機(jī)體的姿態(tài)控制是由3個(gè))玉電的晶體陀螺實(shí)現(xiàn)的。另外一款非常著名的就是X-UFO，體積比Draganflyerlll稍微小一些，遙控距離可達(dá)100m。X-UFO的旋翼增加了一T"發(fā)泡聚丙稀制作的圓環(huán)，這樣可以保證安全性，即減少了在飛行中被損壞，也減少了旋翼傷害到周圍的人和環(huán)境。</p><p>　　目前針對(duì)四旋翼飛行器控制技術(shù)的研究主要集中在以下兩個(gè)方面：一方面是

41、基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的自主控制，另外一方面是基于視覺的自主飛行控制。賓夕法尼亞大學(xué)開發(fā)了一種小型的四旋翼飛行器，幵發(fā)它的主要目的是對(duì)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和自主的控制算法做研究與實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)飛行器能在室內(nèi)和室外的環(huán)境都可以完全自主的飛行。OS4的最大長(zhǎng)度是0.73m,質(zhì)量是().235kg。旋翼與Draganflyerlll是相同的，電機(jī)采用的是Faulhaber 1724電機(jī),總共四個(gè)。還有微型慣導(dǎo)系統(tǒng)是Xsense的MT9-B。飛行

42、測(cè)試平臺(tái)是通過萬向節(jié)固定起來進(jìn)行飛行測(cè)試。萬向節(jié)可以使飛行器有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。飛行器的外部可以提供能源的供給，數(shù)據(jù)處理和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，還有飛行控制模塊都是由外部提供。飛行器的控制算法己經(jīng)有以下幾種FID、LQ、Backstepping、Sliding-mode，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行器姿態(tài)的控制。</p><p>　　0S4已經(jīng)有了第二代產(chǎn)品OS4 II，它的機(jī)身長(zhǎng)度為0.72m，重量為0.52kg。0S4 II可以載重230

43、g的鋰電池0主的飛行30rnin第二代與第一代主要的區(qū)別有：首先，旋翼采用了槳葉面積更大的新型旋翼，這樣可以產(chǎn)生更大的升力。其次，電機(jī)采用的是比上一代輕并且功率更大的LRK直流無刷電機(jī)(BLDC)。再次，電機(jī)用皮帶代替了原來的電機(jī)減速箱。最后,飛行器的主控板、傳感器、電池還有電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊都可以直接的安裝在機(jī)體上，不再需要由外部提供了。</p><p>　　HMX4是一款與Dragannyerlll在機(jī)構(gòu)上大體相

44、似的一款四旋翼飛行器。飛行器的最大長(zhǎng)度為0.76m，重量大約為0.7g。在機(jī)體的底部有5個(gè)彩色標(biāo)記。這一款飛行器攜帶攝像頭。攝像頭是對(duì)地面的標(biāo)記的位置和面積進(jìn)行測(cè)量。飛行器通過3軸陀螺儀測(cè)量得到姿態(tài)角速率,通過計(jì)算得到角度。這樣可以實(shí)現(xiàn)增加飛行器的姿態(tài)控制的穩(wěn)定性。研究人員利用控制算法Backstepping，在一個(gè)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了自主懸停的控制。近來，HMX4又開發(fā)出了基于機(jī)載和地面的雙攝像頭的視覺定位和慣導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)合的定姿系統(tǒng)，

45、這樣就進(jìn)一步的提高了測(cè)量的精度。在這種視覺基于視覺的飛行控制可以更好的執(zhí)行一些更為特殊的任務(wù)[1]。在固定的平臺(tái)起飛和降落，同時(shí)還要與地面的可移動(dòng)的機(jī)器人進(jìn)行協(xié)同等等。</p><p><b>　　研究目的與意義</b></p><p>　　微小型四旋翼飛行器特別適合在近地面環(huán)境如室內(nèi)、城區(qū)和叢林等)中執(zhí)行監(jiān)視、偵察等任務(wù)，具有廣闊的軍事和民用前景；與此同時(shí)，它還是火

46、星探測(cè)無人飛行器的重要研究方向之一；另外，新穎的外形、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、低廉的成本、卓越的性能以及獨(dú)特的飛行控制方式 (通過控制4只旋翼的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)飛行控制)使其對(duì)廣大科研人員具有很強(qiáng)的吸引力, 成為國(guó)際上新的研究熱點(diǎn)。微小型四旋翼飛行器在軍事和民用領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景，極具研究?jī)r(jià)值。它的研制不僅是對(duì)其自身問題的解決，還能推動(dòng)其所涉及關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。微小型四旋翼飛行器是一項(xiàng)涉及多門交叉學(xué)科的高、精、尖技術(shù)，對(duì)國(guó)防建設(shè)是迫切需要和值得發(fā)展的研

47、究項(xiàng)目。</p><p>　　本論文設(shè)計(jì)和測(cè)試一種四旋翼飛行器，飛行器通過中央控制器控制陀螺儀等傳感器采集自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的姿態(tài)擬合，PID等算法，最終控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)飛行器的自身懸停。</p><p><b>　　研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)主要通過單片機(jī)采集3軸加速度傳感器和3軸陀螺儀對(duì)飛行器的姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，控制4個(gè)

48、微型高速無刷電機(jī)帶動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的懸停，內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)建模、自動(dòng)控制理論、無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域。完成了四旋翼飛行器數(shù)學(xué)模型的建立，飛行控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，軟硬件設(shè)計(jì)，控制算法。</p><p><b>　　硬件：</b></p><p>　　1．采用Mega2560芯片作為控制核心，負(fù)責(zé)控制各傳感器獲取姿態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行姿態(tài)擬合和控制參數(shù)的計(jì)算，

49、最終實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)無刷電機(jī)的有效控制；</p><p>　　2．傳感器采用MPU6050傳感器模塊，包含三軸加速度傳，三軸陀螺儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取；</p><p>　　3．采用最大電流為30A的電調(diào)實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)；</p><p>　　4．搭建飛行機(jī)整體機(jī)架。</p><p><b>　　軟件：</b>&l

50、t;/p><p>　　1．MPU6050傳感器模塊驅(qū)動(dòng)程序；</p><p><b>　　2．姿態(tài)擬合程序；</b></p><p>　　3．PID控制程序。</p><p><b>　　總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　總體方案設(shè)計(jì)</b>

51、</p><p><b>　　總體方案</b></p><p>　　本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)自懸停。整個(gè)控制系統(tǒng)包括電源模塊、無線通訊模塊、控制器模塊。無線收發(fā)模塊接受遙控端傳來的控制信號(hào)，然后將控制信息傳送給控制器模塊。傳感器模塊采用三軸加速度傳感器、陀螺儀，電子羅盤實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行器飛行的實(shí)際姿態(tài)，并將飛行器的實(shí)際姿態(tài)數(shù)據(jù)傳送給控制器模塊。控制器模塊接收到傳感器模塊和無線通訊模

52、塊傳來的目標(biāo)姿態(tài)數(shù)據(jù)和實(shí)際姿態(tài)數(shù)據(jù)后，完成一系列復(fù)雜的算法，得到四旋翼飛行器的姿態(tài)和位置信息，計(jì)算出控制量，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的PWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)工作，保持四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行。系統(tǒng)框架圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)框架圖</p><p><b>　　姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)</b></p><p>　　四軸飛行器飛行器在某

53、個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)由6個(gè)物理量來描述，包括在三維坐標(biāo)中的3個(gè)位置量和沿3個(gè)軸的姿態(tài)量(即稱為六自由度)。傳感器作為一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。因此傳感器模塊是為四旋翼飛行器的飛行控制提供各種飛行參數(shù)的裝置，包括測(cè)量機(jī)身三軸角速率的陀螺儀、測(cè)量機(jī)身三軸線加速度的加速度計(jì)等。

54、在測(cè)量過程中由于陀螺儀存在溫漂，導(dǎo)致測(cè)得的姿態(tài)信息并不準(zhǔn)確，因此將陀螺儀和加速度計(jì)結(jié)合起來獲取準(zhǔn)確的偏航角、滾轉(zhuǎn)角、俯仰角信息。</p><p>　　加速度傳感器：加速度傳感器用于測(cè)量機(jī)身相對(duì)于水平面的傾斜角度，利用了地球萬有引力，把重力加速度投影到X，Y，Z軸上，測(cè)量出物體的姿勢(shì)。</p><p>　　陀螺儀：利用旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)的不變性，測(cè)量外力對(duì)物體的影響。

55、跟地球萬有引力和地球南北極的磁力具有固定方向性不同，旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸方向是不確定的，因而角速度傳感器只能用來測(cè)量位置改變，而無法像加速度傳感器和地磁傳感器那樣，測(cè)量出物體的絕對(duì)角度和姿勢(shì)。</p><p>　　四軸飛行器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理</p><p>　　四旋翼簡(jiǎn)要示意圖如圖2-2所示。電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和

56、空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。各個(gè)旋翼對(duì)機(jī)身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可以平衡旋翼對(duì)機(jī)身的反扭矩。四旋翼飛行器在空間共有6個(gè)自由度(分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作)，這6個(gè)自由度的控制都可以通過調(diào)節(jié)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)[2]。</p><p>　　圖2-2 運(yùn)動(dòng)控制原理圖</p><p>　　飛行器在三維空間中具有6個(gè)

57、運(yùn)動(dòng)自由度。包括3個(gè)坐標(biāo)軸方向的線運(yùn)動(dòng)和3個(gè)坐標(biāo)軸方向的角運(yùn)動(dòng)。上下的平移運(yùn)動(dòng)是通過4個(gè)電機(jī)同時(shí)增速(減速)得到的，當(dāng)4個(gè)電機(jī)的升力之和等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停。水平面內(nèi)的前后運(yùn)動(dòng)是電機(jī)1、2增速(減速)的同時(shí)，電機(jī)3、4減速(增速)，此時(shí)保持旋翼1、3對(duì)機(jī)身的反扭矩等于旋翼2、4對(duì)機(jī)身的反扭矩，在電機(jī)1、2與電機(jī)3、4的升力之差作用下機(jī)身發(fā)生傾斜，得到水平面內(nèi)的前后運(yùn)動(dòng)。俯仰運(yùn)動(dòng)是通過電機(jī)1、3轉(zhuǎn)速保持不變，電機(jī)2增速(減

58、速)的同時(shí)，電機(jī)4減速(增速)得到的。以類似的方法，滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過改變電機(jī)1、3轉(zhuǎn)速得到的。偏航運(yùn)動(dòng)是電機(jī)1、3增速(減速)的同時(shí)，電機(jī)2、4減速(增速)，此時(shí)旋翼1、3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于(小于)旋翼2、4對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在多余扭矩的作用下得到偏航運(yùn)動(dòng)。組合以上的基本運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)四旋翼微型飛行器的各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。</p><p><b>　　主要器件選型</b></p>

59、<p><b>　　電機(jī)選型</b></p><p>　　航模中常用的電機(jī)主要有有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)兩種，前者成本低、控制簡(jiǎn)單，但重量大且壽命短；后者成本高、控制復(fù)雜，但重量輕且壽命長(zhǎng)，而且效率高于前者。相同體積的無刷直流電機(jī)功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有刷直流電機(jī)，因此可以不經(jīng)減速直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳。</p><p>　　電機(jī)選型主要看電機(jī)的KV值、功率和重量等因素，其

60、中KV值表示無刷電機(jī)輸入電壓每增加1V，其空轉(zhuǎn)增加的轉(zhuǎn)速值。研宄表明當(dāng)四旋翼飛行器采用KV值為1000左右的無刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳時(shí)效率較高。朗宇A(yù)2216無刷直流電機(jī)參數(shù)如表2-1所示。該電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)符合本設(shè)計(jì)要求，所以本設(shè)計(jì)選用朗宇A(yù)2216無刷直流電機(jī)作為飛行器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。</p><p>　　表2-1 A2216無刷直流電機(jī)參數(shù)表</p><p><b>　　螺旋槳選型&

61、lt;/b></p><p>　　電機(jī)與螺旋槳的搭配是非常復(fù)雜的問題：螺旋槳越大，升力越大，但需耍更大的扣力來驅(qū)動(dòng)；螺旋槳轉(zhuǎn)速越高，升力越大；電機(jī)的KV值越小，扭力越大。因此大螺旋槳需耍用低KV的電機(jī)，小螺旋架需要高KV值的電機(jī)。如果高KV值的電機(jī)帶大槳，扭力不足，那么電機(jī)和電調(diào)就很容易燒掉；如果低KV值的電機(jī)帶小槳，電機(jī)電調(diào)沒有問題，但產(chǎn)生的升力不足，可能無法起飛。因此需要通過大量實(shí)驗(yàn)才能得出電機(jī)與螺旋槳

62、的搭配關(guān)系，朗宇公司對(duì)A2216-1CV880兩種常用獎(jiǎng)的測(cè)試結(jié)果如表2-2所示。雖然在相同電壓下1147槳比1045槳產(chǎn)生的拉力大，但前者比后者消耗的電流也大，也就是前者比后者的效率低，而且后者與前者在拉力上只有微小的差距，因此本課題選擇了1045槳[3]。</p><p>　　表2-2 兩種常用槳測(cè)試結(jié)果</p><p><b>　　傳感器選型</b></p

63、><p>　　由于四旋翼飛行器的體積較小，有效載荷較小，對(duì)傳感器的精度要求不高，因此傳感器選型應(yīng)遵循以下原則：成本低、體積小、重量輕、功耗低、外圍電路簡(jiǎn)單、合適的靈敏度、合適的精度和較高的工作穩(wěn)定性。</p><p>　　傳感器按照加工工藝主要可分為機(jī)械式和MEMS兩種類型。機(jī)械式傳感器具有很高的精度和靈敏度，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性很強(qiáng)且具打很高的工作穩(wěn)定性，是目前最理想的傳感器，廣泛應(yīng)用于航空和航天

64、工程中。但是由于傳統(tǒng)的機(jī)械式傳感器結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，其體積和重量都很大，無法安裝在微型飛行器上，而且由于其成本居高不下，對(duì)普通科研人員和科研機(jī)構(gòu)來說是無力購買的。因此本設(shè)計(jì)選用MEMS傳感器[4]。</p><p>　　MEMS的英文全稱是Micro Electro Mechanical Systems，中文翻譯為微機(jī)電系統(tǒng),是集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路等于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。因此MEM

65、S傳感器具有體積小、重量輕和功耗低的優(yōu)點(diǎn)，由于MEMS器件都是大規(guī)模工業(yè)批量化生產(chǎn)的，因此MEMS器件也具有成本低的優(yōu)點(diǎn)；由于MEMS器件內(nèi)部集成了很多電路，因此其外圍電路也很簡(jiǎn)單；但是由于MEMS采用基于娃的半導(dǎo)體材料加工而成，因此具有電子元件的通病——對(duì)溫度變化比較敏感，再加上對(duì)沖擊振動(dòng)也比較敏感，因此MEMS的精度并不能達(dá)到很高[5]。</p><p>　　考慮到MEMS傳感器的固有缺點(diǎn)，一般基于這種傳感器

66、的飛行控制系統(tǒng)都采用多種傳感器互相配合工作，通過程序算法對(duì)多種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波融合以盡可能的減小溫度和沖擊振動(dòng)對(duì)傳感器帶來的影響，最終減小誤差。</p><p>　　慣性傳感器主要包括加速度計(jì)和陀螺儀兩種，用于測(cè)量飛行器的姿態(tài)。目前市面上有很多基于MEMS技術(shù)的慣性傳感器，既有輸出模擬量的傳感器也有能夠直接輸出數(shù)字量的傳感器，數(shù)字傳感器由于其外圍電路和驅(qū)動(dòng)程序都相對(duì)簡(jiǎn)單，因此本設(shè)計(jì)選用數(shù)字傳感器，具體型號(hào)選為在

67、飛行器模型設(shè)計(jì)上應(yīng)用很廣泛的MPU6050傳感器(集成了加速度計(jì)和陀螺儀)和HMC5883L電子羅盤。</p><p><b>　　處理器選型</b></p><p>　　在整個(gè)飛行控制系統(tǒng)中處理器是最核心的器件，主要負(fù)責(zé)采集多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)并融合多種數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行器姿態(tài)解算，輸出PWM信號(hào)控制4個(gè)無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器姿態(tài)的調(diào)整。</p><p&

68、gt;<b>　　具體需求如下：</b></p><p>　　1．5V的I/0 電壓；</p><p>　　2．4路PWM輸出；</p><p><b>　　3．IIC接口；</b></p><p>　　4．充足的I/O 口；</p><p>　　5．足夠的FLASH和RAM

69、空間；</p><p>　　6．一定的浮點(diǎn)運(yùn)算能力和較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力；</p><p><b>　　7．低功耗；</b></p><p><b>　　8．編程簡(jiǎn)單；</b></p><p>　　9．在相應(yīng)的飛行器設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，資料多。</p><p>　　綜合考慮各方面的

70、因素，最終選定了AT公司生產(chǎn)的ATmega2560微控制器作為主控芯片，具體參數(shù)及功能介紹見第3章單片機(jī)模塊。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先簡(jiǎn)述了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案以及飛行器控制原理，然后對(duì)系統(tǒng)所采用的器件進(jìn)行了選型。</p><p><b>　　硬件電路設(shè)計(jì)</b></

71、p><p><b>　　單片機(jī)模塊</b></p><p>　　ATmega2560單片機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　　圖3-1 AT mega2560單片機(jī)</p><p>　　Mega2560是Atmel公司開發(fā)的新款單片機(jī)，適合需要大量IO接口的設(shè)計(jì)。同時(shí)具有54路數(shù)字輸入/輸出口(其中16路可作為PWM輸出)，16路模

72、擬輸入，4路UART接口，自帶兩個(gè)管腳SDA和SCL，支持I2C接口；增加IOREF和一個(gè)預(yù)留管腳。</p><p>　　ATmega2560單片機(jī)輸入輸出</p><p>　　54路數(shù)字輸入輸出口：工作電壓為5V，每一路能輸出和接入最大電流為40mA。每一路配置了20-50K歐姆內(nèi)部上拉電阻(默認(rèn)不連接)。</p><p>　　除此之外，有些引腳有特定的功能：&l

73、t;/p><p>　　4路串口信號(hào)：串口0---0(RX)and 1(TX)；串口1---19(RX)and 18(TX)；串口2---17(RX)and 16(TX)；串口3---15(RX)and 14(TX)。其中串口0與內(nèi)部 ATmega8U2 USB-to-TTL 芯片相連，提供TTL電壓水平的串口接收信號(hào)。</p><p>　　6路外部中斷：2(中斷0)，3(中斷 1)，18(中斷

74、 5)，19(中斷 4)，20(中斷 3)，and 21(中斷 2)。觸發(fā)中斷引腳，可設(shè)成上升沿、下降沿或同時(shí)觸發(fā)。</p><p>　　14路脈沖寬度調(diào)制PWM（0--13）：提供14路8位PWM輸出。</p><p>　　SPI(53(SS)，51(MOSI)，50(MISO)，52(SCK))：SPI通信接口。</p><p>　　LED(13號(hào))：Ardui

75、no專門用于測(cè)試LED的保留接口，輸出為高時(shí)點(diǎn)亮LED，反之輸出為低時(shí)LED熄滅。</p><p>　　16路模擬輸入：每一路具有10位的分辨率(即輸入有1024個(gè)不同值)，默認(rèn)輸入信號(hào)范圍為0到5V，可以通過AREF調(diào)整輸入上限。除此之外，有些引腳有特定功能：</p><p>　　TWI接口(20(SDA)和21(SCL))：支持通信接口(兼容I2C總線)。</p><

76、;p>　　AREF：模擬輸入信號(hào)的參考電壓。</p><p>　　Reset：信號(hào)為低時(shí)復(fù)位單片機(jī)芯片。</p><p>　　ATmega2560單片機(jī)工作電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)采用ATmega2560單片機(jī)作為控制核心，其中VCC5接5伏電壓，GND接地，XTAL1和XTAL2接16兆的晶振，RST接復(fù)位電路，由于單片機(jī)引腳過多，此處僅畫出相應(yīng)

77、的引腳[6]。如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 ATmega2560單片機(jī)工作電路</p><p><b>　　姿態(tài)獲取模塊</b></p><p>　　MPU6050傳感器</p><p>　　MPU6050傳感器電路圖如圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3 MPU605

78、0傳感器電路圖</p><p>　　姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)是感知四旋翼飛行器的飛行狀態(tài)的信息。姿態(tài)感測(cè)部件是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心。傳感器相當(dāng)于人的眼睛和耳朵，用來感知外界相關(guān)的環(huán)境變換，為中心控制模塊提供原始數(shù)據(jù)。由于所使用的四旋翼直升機(jī)負(fù)載能力有限，因此，減小和減輕導(dǎo)航系統(tǒng)所用傳感器的體積及重量，就顯得尤為重要。加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備。加速度傳感器的工作原理：敏感元件將測(cè)點(diǎn)的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)

79、，進(jìn)入前置放大電路，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路改善信號(hào)的信噪比，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，最后送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示。加速度傳感器用于測(cè)量機(jī)身相對(duì)于水平面的傾斜角度，對(duì)于加速度傳感器，我們知道運(yùn)動(dòng)中的物體會(huì)產(chǎn)生包括重力加速度在內(nèi)的各種各樣的加速度。當(dāng)四軸飛行器起飛的一霎那，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速本身的重量和轉(zhuǎn)速誤差，我們無法感知飛行器本身的受力情況，從而無法通過加速度來判別物體的姿勢(shì)。要獲得準(zhǔn)確的物體角度和姿勢(shì)，加速度傳感器就需要在靜止或

80、者勻速的情況下進(jìn)行測(cè)量，而飛行器起飛的瞬間，物體是運(yùn)動(dòng)的，所以你無法用它來平衡四軸飛行器。陀螺儀傳感器是理想的平衡控制傳感器，它能感知物體的運(yùn)行變化。四軸飛行器的微處理器通過讀取這</p><p>　　MPU-6050為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間。它集成了3 軸MEMS 陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理

81、器DMP(Digital Motion Processor)，可用I2C接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力計(jì)。擴(kuò)展之后就可以通過其I2C接口輸出一個(gè)6軸的信號(hào)。MPU-6050也可以通過其I2C 接口連接非慣性的數(shù)字傳感器，比如壓力傳感器。MPU-6050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。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測(cè)范圍為±25

82、0，±500，±1000，±2000°/秒(dps)，加速度計(jì)范圍為±2，±4，±8，±16g。一個(gè)片上1024字節(jié)的FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。和所有設(shè)備寄存器之間的通信采用400kHz的I2C接口。對(duì)于需要高速傳輸?shù)膽?yīng)用，對(duì)寄存器的讀取和中斷可用20MHz的SPI。另外，片上還內(nèi)嵌了一個(gè)溫度傳感器和在工作環(huán)境下僅有±1%變動(dòng)的振蕩器。芯片尺寸

83、4×4</p><p>　　1．關(guān)于電源，MPU-6050可支持VDD 范圍2.5V±5%，3.0V±5%，或3.3V±5%。另外MPU-6050還有一個(gè)VLOGIC引腳，用來為I2C輸出提供邏輯電平。VLOGIC電壓可取1.8±5%或者VDD。</p><p>　　2．以數(shù)字輸出6 軸或9 軸的旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)(quaternion)、歐

84、拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算數(shù)據(jù)。</p><p>　　3．具有全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1000 與±2000/秒的3軸角速度感測(cè)器(陀螺儀)。可程式控制，且程式控制范圍為±2g、±4g、±8g和±16g的3軸加速器。</p><p>　　4．移除加速器與陀螺儀軸間敏感度

85、，降低設(shè)定給予的影響與感測(cè)器的飄移。 數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理(DMP: Digital Motion Processing)引擎可減少復(fù)雜的融合演算數(shù)據(jù)、感測(cè)器同步化、姿勢(shì)感應(yīng)等的負(fù)荷。運(yùn)動(dòng)處理數(shù)據(jù)庫支持Android、Linux與Windows內(nèi)建運(yùn)作時(shí)間偏差與磁力感測(cè)器校正演算技術(shù)，免除了客戶須另外進(jìn)行校正的需求。</p><p>　　5．以數(shù)位輸入的同步引腳(Sync pin)支援視頻電子影相穩(wěn)定技術(shù)與GPS可程式控

86、制的中斷(interrupt)支援姿勢(shì)識(shí)別、搖攝、畫面放大縮小、滾動(dòng)、快速下降中斷、high-G中斷、零動(dòng)作感應(yīng)、觸擊感應(yīng)、搖動(dòng)感應(yīng)功能。</p><p>　　6．所用電容規(guī)格。所用電容可以列入表3-1所示。</p><p>　　表3-1 電容規(guī)格表</p><p>　　7．中斷由中斷配置寄存器設(shè)置。可配置的項(xiàng)目包括INT引腳設(shè)置，中斷關(guān)閉和清除方法，以及中斷觸發(fā)

87、。可以觸發(fā)中斷的事件有：切換時(shí)鐘源；DMP完成；有新的數(shù)據(jù)可供讀取(從FIFO 和數(shù)據(jù)寄存器)；加速度計(jì)中斷；MPU-60X0未收到外接傳感器的回應(yīng)(輔助I2C總線)。中斷狀態(tài)可以從中斷狀態(tài)寄存器讀出。</p><p>　　IIC接口，包括串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時(shí)鐘線(SCL)。連接到I2C接口的設(shè)備可做主設(shè)備或從設(shè)備。主設(shè)備將Slave 地址傳到總線上，從設(shè)備用與其匹配的地址來識(shí)別主設(shè)備。當(dāng)連接到系統(tǒng)芯片時(shí)

88、，MPU-6050總是作為從設(shè)備。SDA和SCL信號(hào)線通常需要接上拉電阻到VDD。最大總線速率400kHz。MPU-6050的Slave地址為b110100X，7位字長(zhǎng)，最低有效位X由AD0管腳上的邏輯電平?jīng)Q定。這樣就可以允許兩個(gè)MPU-60X0連接到同一條I2C總線，此時(shí)，一個(gè)設(shè)備的地址為b1101000(AD0為邏輯低電平)，另一個(gè)為b1101001（AD0為邏輯高)。</p><p>　　HMC5883L電

89、子羅盤</p><p>　　圖3-4 電子羅盤引腳圖</p><p>　　三維地磁傳感器利用了地球南北極的磁場(chǎng)所產(chǎn)生的吸力，并投影到X，Y，Z軸上，可以提供飛行器的航向角、俯仰角和橫滾角，從而可以確定物體的姿態(tài)，實(shí)際上就是確定了物體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間的方位關(guān)系。</p><p>　　根據(jù)總體設(shè)計(jì)的要求，選用功耗低、體積小、重量輕的HMC5883L，霍尼韋爾HM

90、C5883L是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應(yīng)用于低成本羅盤和磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域。HMC5883L包括最先進(jìn)的高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、能使羅盤精度控制在1°到2°的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。簡(jiǎn)易的I2C系列總線接口。HMC5883L是采用無鉛表面封裝技術(shù)，帶有16引腳，尺寸為3.0X3.0X0.9mm。HMC5883L采用霍

91、尼韋爾各向異性磁阻(AMR)技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是其他磁傳感器技術(shù)所無法企及。這些各向異性傳感器具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點(diǎn)。傳感器帶有的對(duì)于正交軸低敏感行的固相結(jié)構(gòu)能用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向和大小，其測(cè)量范圍從毫高斯到8高斯(gauss)。霍尼韋爾的磁傳感器在低磁場(chǎng)傳感器行業(yè)中是靈敏度最高和可靠性最好的傳感器。</p><p>　　霍尼韋爾HMC5883L磁阻傳感器電路是三軸傳感器并應(yīng)用特殊輔助電路來測(cè)量磁

92、場(chǎng)。通過施加供電電源，傳感器可以將量測(cè)軸方向上的任何入射磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變成一種差分電壓輸出。磁阻傳感器是由一個(gè)鎳鐵(坡莫合金)薄膜放置在硅片上，并構(gòu)成一個(gè)帶式電阻元件。在磁場(chǎng)存在的情況下，橋式電阻元件的變化將引起跨電橋輸出電壓的相應(yīng)變動(dòng)。</p><p>　　這些磁阻元件兩兩對(duì)齊，形成一個(gè)共同的敏感軸，隨著磁場(chǎng)在敏感方向上不斷增強(qiáng)，電壓也就正向增長(zhǎng)。因?yàn)檩敵鲋慌c沿著軸方向上的磁阻元件成比例，其他磁阻電橋也放置在正交方向上

93、，就能精密測(cè)量其他方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度。</p><p><b>　　1．電源管理</b></p><p>　　該器件可有兩種不同的供電模式。第一個(gè)是內(nèi)部運(yùn)作的VDD供電電源，第二個(gè)是為IO 接口供電的VDDIO電源，當(dāng)然VDDIO的電壓可以與VDD電源電源相近；單電源模式，或在VDDIO電壓低于VDD的情況下，HMC5883L都能正常運(yùn)作并能與其他裝置兼容。</p&

94、gt;<p><b>　　2．I2C 接口</b></p><p>　　制該裝置可以通過I2C總線來實(shí)現(xiàn)。該裝置將作為從機(jī)在一個(gè)主機(jī)(例如：處理器)的控制下連接總線。作為一個(gè)I2C兼容裝置，該裝置包含一個(gè)7-bit串行地址，并支持I2C協(xié)議。這一裝置可以支持標(biāo)準(zhǔn)和快速模式，分別為100kHz和 400kHz，但不支持高速模式(Hs)。還需要外接電阻才能支持這些標(biāo)準(zhǔn)和快速模式。要

95、求主機(jī)的活動(dòng)(寄存器的讀取和寫入)優(yōu)先于內(nèi)部活動(dòng)。</p><p><b>　　3．操作模式</b></p><p>　　該裝置有若干種模式，其主要目的是電源管理以及通過模式寄存器進(jìn)行控制。</p><p><b>　　連續(xù)測(cè)量模式：</b></p><p>　　連續(xù)測(cè)量模式，在客戶所選擇的速率下進(jìn)

96、行連續(xù)的測(cè)量，并所測(cè)量的更新數(shù)據(jù)輸出寄存器。如果有必要，數(shù)據(jù)可以從數(shù)據(jù)輸出寄存器重新讀取，但是，如果主機(jī)并不能確保在下次測(cè)量完成之前可以訪問數(shù)據(jù)寄存器，數(shù)據(jù)寄存器上的舊的數(shù)據(jù)會(huì)被新的測(cè)量數(shù)據(jù)取代。為了保存測(cè)量之間的電流，該裝置被放置在一個(gè)類似閑置模式的狀態(tài)，但模式寄存器沒有改變成空閑模式。即MD[n]位不變。配置寄存器A的設(shè)置在連續(xù)測(cè)量模式時(shí)會(huì)影響數(shù)據(jù)輸出速率(比特DO[n]) ，測(cè)量配置(bits MS[n])，和增益(bits GN

97、[n])。所有寄存器在連續(xù)測(cè)量模式中保留數(shù)值。在連續(xù)測(cè)量模式下I2C總線可被網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他裝置啟用。</p><p><b>　　單次測(cè)量模式：</b></p><p>　　這是預(yù)設(shè)的供電模式。在單測(cè)量模式，該裝置進(jìn)行單次測(cè)量并將測(cè)量數(shù)據(jù)更新至輸出數(shù)據(jù)寄存器中。在完成測(cè)量和輸出數(shù)據(jù)寄存器的更新以后，通過設(shè)置MD[n] bits，該裝置被置于閑置模式，模式寄存器變更為閑置

98、模式。配置寄存器的設(shè)置在單一測(cè)量模式時(shí)影響測(cè)量配置(bits MS[n])。在單測(cè)量模式中所有寄存器保留數(shù)值。 在單測(cè)量模式下I2C總線可被網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他裝置啟用。</p><p><b>　　4．閑置模式</b></p><p>　　在此模式下，裝置可以通過I2C總線訪問，但主要電源能耗是禁用的，如ADC放大器，傳感器偏置電流，但不僅限于這些。在空閑模式下所有寄存器保留

99、數(shù)值。在閑置測(cè)量模式下I2C總線可被網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他裝置啟用。 </p><p><b>　　外部電容器：</b></p><p>　　兩個(gè)外部電容器都應(yīng)為陶瓷型結(jié)構(gòu)，具有低ESR特性。對(duì)于ESR值無具體要求但最好選擇低于200毫歐姆。儲(chǔ)能電容器C1電容的標(biāo)稱值為4.7μF，置位/復(fù)位電容器C2的電容標(biāo)稱值為0.22μF。</p><p><b

100、>　　特點(diǎn)：</b></p><p>　　A．?dāng)?shù)字量輸出：I2C數(shù)字量輸出接口，設(shè)計(jì)使用非常方便。</p><p>　　B．尺寸小: 3x3x0.9mm LCC封裝，適合大規(guī)模量產(chǎn)使用。</p><p>　　C．精度高：1－2度，內(nèi)置12位A/D,OFFSET, SET/RESET電路，不會(huì)出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，不會(huì)有累加誤差。</p>&

101、lt;p>　　D．支持自動(dòng)校準(zhǔn)程序，簡(jiǎn)化使用步驟，終端產(chǎn)品使用非常方便。</p><p>　　E．內(nèi)置自測(cè)試電路，方便量產(chǎn)測(cè)試，無需增加額外昂貴的測(cè)試設(shè)備。</p><p>　　F．功耗低：供電電壓1.8V, 功耗睡眠模式--2.5微安 測(cè)量模式--0.1mA。</p><p><b>　　I2C通信協(xié)議</b></p>&

102、lt;p>　　I2C總線概述： </p><p>　　I2C總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線，是具備多主機(jī)系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。I2C總線只有兩根雙向信號(hào)線。一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。I2C總線通過上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號(hào)變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關(guān)系。

103、每個(gè)接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機(jī)與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件，這時(shí)主機(jī)即為發(fā)送器。由總線上接收數(shù)據(jù)的器件則為接收器。在多主機(jī)系統(tǒng)中，可能同時(shí)有幾個(gè)主機(jī)企圖啟動(dòng)總線傳送數(shù)據(jù)。為了避免混亂，I2C總線要通過總線仲裁，以決定由哪一臺(tái)主機(jī)控制總線[7]。</p><p>　　I2C總線數(shù)據(jù)傳送：</p><p>　　1．?dāng)?shù)據(jù)位的有效性規(guī)定：I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳

104、送時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘線上的信號(hào)為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。</p><p>　　2．起始信號(hào)和終止信號(hào)：SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號(hào)；SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號(hào)。起始和終止信號(hào)都是由主機(jī)發(fā)出的，在起始信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀

105、態(tài)。連接到I2C總線上的器件，若具有I2C總線的硬件接口，則很容易檢測(cè)到起始和終止信號(hào)。接收器件收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，有可能需要完成一些其它工作，如處理內(nèi)部中斷服務(wù)等，可能無法立刻接收下一個(gè)字節(jié)，這時(shí)接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機(jī)處于等待狀態(tài)。直到接收器件準(zhǔn)備好接收下一個(gè)字節(jié)時(shí)，再釋放SCL線使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進(jìn)行。 </p><p><b>　　3．?dāng)?shù)據(jù)傳送格式&

106、lt;/b></p><p>　　字節(jié)傳送與應(yīng)答：每一個(gè)字節(jié)必須保證是8位長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位(MSB)，每一個(gè)一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位(即一幀共有9位)。由于某種原因從機(jī)不對(duì)主機(jī)尋址信號(hào)應(yīng)答時(shí)(如從機(jī)正在進(jìn)行實(shí)時(shí)性的處理工作而無法接收總線上的數(shù)據(jù))，它必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，而由主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)終止信號(hào)以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送；如果從機(jī)對(duì)主機(jī)進(jìn)行了應(yīng)答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時(shí)間后無法繼續(xù)接收

107、更多的數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)可以通過對(duì)無法接收的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應(yīng)答”通知主機(jī)，主機(jī)則應(yīng)發(fā)出終止信號(hào)以結(jié)束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送；當(dāng)主機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，它收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機(jī)發(fā)出一個(gè)結(jié)束傳送的信號(hào)。這個(gè)信號(hào)是由對(duì)從機(jī)的“非應(yīng)答”來實(shí)現(xiàn)的。然后，從機(jī)釋放SDA線，以允許主機(jī)產(chǎn)生終止信號(hào)。</p><p>　　數(shù)據(jù)幀率格式：I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)是廣義的，既包括地址信號(hào)，又包括真正的數(shù)據(jù)信號(hào)。在起始信號(hào)后必須傳送一個(gè)

108、從機(jī)的地址(7位)，第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位(R/T)，用“0”表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)(T)，“1”表示主機(jī)接收數(shù)據(jù)(R)。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機(jī)產(chǎn)生的終止信號(hào)結(jié)束。但是，若主機(jī)希望繼續(xù)占用總線進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳送，則可以不產(chǎn)生終止信號(hào)，馬上再次發(fā)出起始信號(hào)對(duì)另一從機(jī)進(jìn)行尋址。 </p><p>　　總線的尋址：I2C總線有明確規(guī)定，采用7bit尋址字節(jié)(尋址字節(jié)是起始信號(hào)后的第一個(gè)字節(jié))。D7～D1位組成從機(jī)的地址。D0

109、位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為“0”時(shí)表示主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)，為“1”時(shí)表示主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)。主機(jī)發(fā)送地址時(shí)，總線上的每個(gè)從機(jī)都將這7位地址碼和自己的地址比較，如果相同，則認(rèn)為自己被主機(jī)尋址，根據(jù)R/T位將自己確認(rèn)為發(fā)送器或者接收器。從機(jī)的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個(gè)系統(tǒng)中，可能希望接入多個(gè)相同的從機(jī)，從機(jī)地址中可以編程的部分決定了可接入總線該類器件的最大數(shù)目。如一個(gè)從機(jī)的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時(shí)僅能尋址8個(gè)同樣的

110、器件，即可以有8個(gè)同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中。</p><p>　　MPU6050及HMC5883L工作電路</p><p>　　系統(tǒng)采用MPU6050傳感器，內(nèi)置三軸加速度計(jì)，三軸陀螺儀，用來采集飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，由于MPU6050采用I2C通信方式，所以將SDA端接到單片機(jī)的D20引腳，將SCL端接在D21引腳。外圍工作電路如圖3-5。</p><p>

111、　　圖3-5 MPU6050外圍工作電路</p><p>　　HMC5883L電子羅盤同樣采用I2C通信方式，所以同樣將SDA端接到單片機(jī)的D20引腳，將SCL端接在D21引腳。外圍電路如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 HMC5883L電路圖</p><p><b>　　無線模塊</b></p><p>　

112、　無線通信模塊是四旋翼無人直升機(jī)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)地面站對(duì)四旋翼無人直升機(jī)的飛行控制。鑒于本文的具體應(yīng)用，以室內(nèi)飛行試驗(yàn)為主，所以要求的無線傳輸距離不是很遠(yuǎn)；工作頻段免費(fèi)或者是ISM(Industrial)頻段，無需申請(qǐng)；接口電路簡(jiǎn)單通用，自帶編解碼規(guī)則；體積小、重量輕、功耗低。</p><p>　　根據(jù)以上一些要求，本文選用Nordic公司的NRF24L01芯片，引腳圖如3-7圖所示。</p>

113、<p>　　圖3-7 nRF24L01芯片引腳圖</p><p>　　NRF24L01簡(jiǎn)介</p><p>　　nRF24L01是一款工作在2.4~2.5GHz，世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片無線收發(fā)器包括:頻率發(fā)生器增強(qiáng)型Schlockmeister模式控制器功率放大器晶體振蕩器調(diào)制器解調(diào)器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。</p>