基于dsp数字信号处理器的四旋翼无人飞行器设计-本科设计

基于dsp数字信号处理器的四旋翼无人飞行器设计-本科设计内容摘要：

一手资 料，请尽快联系 BOSCH 公司。 BMP085 的低功耗、低电压的电学特性使它可以很好的适用于手机、 PDA、 GPS导航器件以及户外装备上。 BMP085 在低的高度噪声（ merely ）快速转换的情况下，表现很好。 BMP085 是基于压阻效应技术的，具有稳定的电磁兼容性、高精度、线性性以及稳定性。 Bosch 公司的气压传感器（在自动控制应用领域）是世界市场上的领军，基于 200 百万气压传感器这制造经验， BMP085 继续了新一代的微型气压传感器 [8]。 关键特性 ： 压力范围： 300~1100hpa（ +9000m~500m 海拔高度）； 电压范围： ~（ VDDA）， ~（ VDDD）； 封装大小：长宽 5*5mm 高 ； Low power 、 Low noise； 内含温度测量 I2C 接口； 全标准（内含标准数据校准）； MSL1 PTN78000W 介绍 PTN78000 是一系列的高效率，降压集成开关稳压器（ ISR），在系列产品中受欢迎的 78ST100 第三代演变。 新的设计考虑了 78ST100， PT78ST100， PT5100，和 PT6100 系列单列直插引脚（ SIP）的产品。 PTN78000 是比它的之前系列产品更小更轻，并具有类似的或改进的电气性能特点。 在要求体积小的情况下，双面封装，也具有更好的热性能，符合 RoHS 和无铅。 运作在宽输入电压范围，提供了高效的 PTN78000，设置使用一个外部电阻器降压电压转换为高达 的输出电压的负载。 PTN78000w 可设置范围内的任何值 至 ，和从 V 到 22V 的输出电压的 PTN78000w 的 PTN78000h可低至 2V 低于输入，允许工作到 7V，在 5V 的输出电压的 ptn78000h 输出电压可低至 3V 低于输入，允许运行到 15V， 12V 的输出电压。 PTN78000 具有欠压锁定和积分 /关闭抑制。 该模块是适用于各种各样的通用应用程序，用 12V， 24V，或 28V 电压供电 [9]。 图 22： PTN7800w Figure 22： PTN7800w WIFI 模块 USRWIFI232T 超低功耗嵌入式 WIFI 模组提供了一种将用户的物理设备连接到 WIFI 无线网络上，并提供 UART 串口等接口传输数据的解决方案。 该模组硬件上集成了 MAC，基频芯片，射频收发单元，以及功率放大器；嵌 入式的固件则支持 WIFI 协议以及配置，以及组网的 TCP/IP 协议栈。 USRWIFI232T是一款一体化 ，通过 USRWIFI232T模组，传统的低端串口或 MCU 控制的设备均可以很方便的接入 WIFI 无线网络，从而实现物联网控制与管理。 USRWIFI232T采用业内最低功耗嵌入式结构，并针对智能家具，智能电网，手持设备，个人医疗，工业控制等这些低流量低频率的数据传输领域的应用，做了专业的优化。 USRWIFI232T 是一款集成了所有 WIFI 功能的小巧 模块，尺寸仅 22mm x x 6mm。 针对照明和插座等应用领域采用了 1x10 管脚 2mm 插针连接器，易于焊装在客户产品的硬件单板电路上。 模块配备有特制的焊盘或外置天线连接器，适于各种外置天线的应用 [10]。 系统 硬件概述 四旋翼无人飞行器系统主要包括： DSP 最小系统、六轴传感器、气压计、电子罗盘、电调、电机、机架、机翼 和 电源。 其结构框图如图 1 所示， DSP 采用TMS320F28335，它是整个系统控制的核心部件。 六轴传感器、气压计、电子罗盘作为系统对飞行器姿态和空间状态的数据采集。 电源采用 PTN7800w 将 12v 电池转 的直流。 至于如何进行飞行姿态的数据采集、姿态控制和电源稳定供电，它的选择直接影响整个系统的效果，下一节将介绍有关于这方面的选择，这里就不做介绍。 图 23：系统样式 Figure 23: System style 方案选择 方案设计 根据设计题目基于 DSP 的四旋翼无人飞行系统的设计可知，系统采用的是DSP 为控制器件，通过其强大的浮点运算单元，可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间 和精力，与前代 DSP 相比，平均性能提高 50%。 利用高精度 HRPWM 控制四旋翼，能够更好实现算法要求，达到设计目标。 为此提出了关于两种实现四旋翼无人飞行器系统的设计方案，下面将一一为大家介绍。 方案一：原始传感器数据处理融合、卡尔曼滤波和 PID 姿态控制 在运动控制系统中，传统上就往往将速度传感器测量到的速度和加速度计测量到的加速度进行单独处理，没有将两者的信息进行数据融合。 由物理定律可知，加速度与速度成导数关系，所以两者的数据是存在内在联系的，完全可以根据信息融合理论对两者数据进行综合处理，从而得到更加准确的 结果。 卡尔曼滤波器是常用的一种数据融合技术，它利用迭代递推计算的方式，对存贮空间要求很小。 再利用 PID 算法将采集得到的姿态数据进行控制处理实现飞行器的平稳可控飞行。 方案二：利用 MPU6050 内部基础 DMP、 PID 控制算法 通过查阅 MPU6050 芯片资料，内部集成了 DMP 运动处理器，可以最六轴数据直接进行处理得到四元数数据，最后通过 I2C 输出到 DSP 芯片中。 再结合电子罗盘和气压计传感器得到的数据再进一步融合就得到了飞行器的实时姿态数据。 最后利用 PID 算法将采集得到的姿态数据进行控制处理实现飞行器的平稳可控飞行。 方案比较 1）复杂性：方案一采取用原始数据融合，卡尔曼滤波算法等操作；而这些过程在方案二中使用 DMP 和简单数据融合操作就可以代替，所以方案二设计简单。 2）准确性：方案一和方案得到的数据通过查阅数据手册都是一样结果，比较精确， 并且响应速度快。 3）局限性：由于方案一中使用的 DSP 处理程序比较复杂，因为涉及到现代信号处理超出了我们的学习范围，而方案二传感器内部数据处理就使程序简单化了。 综合 以上理由， 本系统 选择方案 二。 硬件 平台 总体设计 硬件平台大致可以分为 4 个部分：核心部分（ TMS320F28335）、传感器部分（ MPU6050、 HMC5883L、 BMP085）、电源供电部分、机架和机翼部分。 总体设计框图如图 23 所示： T M S 3 2 0 F 2 8 3 3 53 S 2 2 0 0 m A电 池 电 源电 调 A电 调 B电 调 C电 调 D无 刷 电 机 A无 刷 电 机 B无 刷 电 机 C无 刷 电 机 DB u c k 电 源 转 换 输出 5 v / 3 . 3 v四 路p w m 控制 信 号九 轴 姿 态 传 感 器( M P U 6 0 5 0 + H M C 5 8 8 3 L )气 压 计 ( B M P 0 8 5 )W i F i 无 线 通 讯 模 块 图 23硬件系统总体框图 Figure 23 The overall block diagram of hardware system 系统主要由 DSP、传感器、电源模块和电机等组成。 系统的工作方式主要是，对传感器进行快速数据采集，将采集得到的数据输入到 DSP 中，通过对数据融合滤波等处理后进行 PID 算法实时控制 飞行器姿态，同时和上位机保持数据通信，是的上位机能搞实时采集飞行器的数据以及对飞行器进行姿态控制。 工作过程： 上机之后等待上位机命令，当得到起飞命令后，转动机翼开始起飞。 飞行过程中，实时采集姿态数据， DSP对姿态数据进行处理，最后通过 PID算法对飞行器飞行姿态进行控制使得平稳飞行。 电源选择 DC12V 电池供电，在经过电压转换得到 5v 和 输出。 电机控制电路 本研究采用直接利用商品电调控制无刷电机方案，实现了 DSP 输出 PWM 脉冲控制电调，从而对电机达到线性控制目的。 控制方式为调整输出 PWM周期 为 10ms，停车为 1ms 高电平，最大油门值为 2ms 高电平。 MPU6050+ HMC5883 九轴数据采集 MPU6050 的角速度全格感测范围设定为177。 250/sec(dps)，可准确追踪快、慢速动作，该传感器传输可透过最高至 400kHz 的 IC，精确采集四旋翼飞行器 3个方向的角速率和线加速度。 在惯性导航算法中，导航参数会随着传感器的测量误差积累而发散，因而不能长时间自主飞行，故选用霍尼韦尔公司的三轴式数字罗盘 HMC5883 校准惯性导航系统的姿态。 采用 I2C 协议通信，经过转换电路之后可以和 DSP 的 I2C口通信。 WIFI 无线通信电路 无线通信模块是四旋翼无人飞行器和地面控制中心通信的桥梁。 本研究要求的无线传输距离为 100m 左右。 利用 WIFI 进行无线通信。 通过 PC 机内置无线网络协议 协议栈以及 TCP/IP 协议栈实现数据传输，同时 WIFI 信息传送数据速率可以达到 600Mbps，配置、使用方便，在 100m 之内传输稳定可靠。 最终可实现上位机对其数据采集和实时操控。 通过 DSP 与 WIFI 模块通过 UART 串口连接，通过串口通信使得数据发送和接受能够快速进行。 通讯方式采用的是异步串行通 信，支持全双工串行通信，通过编程可以将 8 位字节数据写入 UART 中， UART 自动将改接的 8位二进制数变成串行数据，在不同时刻从 TXD 引脚输出发送；同时对于不同时刻从引脚 RXD输入的串行数据， UART 自动变换成字节，可以编程读取后进行处理。 上下位机通信协议如下： 1）下位机发送，上位机接收： 0x88 0xA1 数据 „„ 数据 校验位 2）上位机发送，下位机接收： 0x88 0xA2 数据 „„ 数据 校验位 电源电路 电源设计利用 3S2200mA 电池输出 12v 电压进行转换得到。 因为电池电量不够大，所以设计时候使用开关电源 Buck 电路实现高转换效率输出得到 5v 电压，最后利用 稳定电压给各个传感器供电，保证稳定工作。 同时在为了节省飞行器空间，在电源电路板上实现 PWM 等转接输出实现 DSP飞控控制和电池电压采集。 图 24 电源电路 Figure 24 The power supply circuit 图 25 电源电路 PCB Figure 25 The power supply circuit PCB 第三章 四旋翼无人飞行器系统软件设计 四旋翼 飞行器系统飞控软件设计 四旋翼飞行器运动分析 （ a ） 垂 直 运 动（ d ） 偏 航 运 动（ b ） 俯 仰 运 动（ e ） 前 后 运 动（ c ） 滚 转 运 动（ f ） 侧 向 运 动 图 31 四旋翼运动姿态控制图 Figure 31 Four rotor motion attitude control chart 四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼 1 和旋翼 3 逆时针旋转，旋翼 2和旋翼 4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。 典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾浆。 他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。 四旋翼飞行器与此不同，是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。 由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力不稳定，所以需要一种能够长期确保稳定的控制方法。 四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。 但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状 态输出，所以它又是一种欠驱动系统。 四旋翼飞行器数学建模    .. .2 2 3 41 2 3 4 1.. .22221 2 3 4 2.. .22221 2 3 4 3si n /si n c os /c os c os /fffX k k X mY k k Y mZ k k Z m                                         (31)    .. .224 2 4.. .223 1 5.. .2 2 2 21 2 3 4 61/1//fXfYmZk k Ik k Ik k I                       (32) 四旋翼飞行器仿真器具有极为复杂的动力学特性和特殊的飞行姿态，其动力学特性随着飞行姿态而发生相应的变化，具有非线性、多变量耦合的特点。 本项目利。