畢業(yè)論文--基于NXP LPC1549的四軸飛行器的設(shè)計與研究.docx

基于NXP LPC1549的四軸飛行器的設(shè)計（吉林建筑大學(xué) 電氣與電子信息工程學(xué)院，長春 ）摘要：四軸飛行器有著VTOL(Vertical Take-Off and Landing，垂直起降)飛行器的中幾乎所有的優(yōu)點(diǎn)，并且硬件結(jié)構(gòu)特別簡單、體積小、成本低，因而廣泛應(yīng)用于軍事、民用等兩大領(lǐng)域。本設(shè)計采用NXP LPC 1549作為中央處理器，飛行器與遙控器之間的無線通信采用2.4G的NRF24L01模塊，以及擁有3軸加速度計與三軸陀螺儀的MPU6050作為姿態(tài)歐拉角測量單元，把采集到的數(shù)據(jù)通過四元數(shù)互補(bǔ)濾波計算、PID自動控制，最終以PWM的方式驅(qū)動空心杯820電機(jī)，得以實現(xiàn)遙控四軸飛行器的設(shè)計。關(guān)鍵詞：四軸飛行器；MPU6050；IMU；PIDQuadrocopter Design Based on NXP LPC1549Abstract: Quadrocopter with VTOL (vertical Take-Off and landing, the vertical take off and landing) aircraft in almost all the advantages, and the hardware structure is simple, small size, low cost, and wide application in military and civi fields.This design uses the NXP LPC 1549 as the central processor, the wireless communication between the vehicle and the remote controller using 2.4G nRF24L01 module, and have the 3-axis acceleration meter 3-axis gyroscope with this as the Euler angles measurement unit and the collected data through quaternion complementary filtering calculation, PID automatic control, and ultimately to PWM drives the hollow cup 820 motor, can realize remote control quadrocopter design.Keywords:Quadrocopter;MPU6050; IMU; PID引言：四軸飛行器是一種具有4個對稱旋翼的直升機(jī)，具有垂直起降、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操縱方便及機(jī)動靈活等優(yōu)點(diǎn)，在飛行器上搭載攝像頭等模塊能夠?qū)崿F(xiàn)許多實用性的功能。非常適合在狹小空間內(nèi)執(zhí)行偵查任務(wù)，所以在軍事和民用兩大領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計采用NXP LPC1549為主控芯片，通過2.4G無線模塊NRF24L01作為遠(yuǎn)程遙控控制，利用3軸陀螺儀、3軸加速度計融合一體的MPU6050搭建四軸飛行器，實現(xiàn)懸停、自轉(zhuǎn)、前后左右移動等操作 一、系統(tǒng)總體設(shè)計本次設(shè)計硬件部分主要包括遙控器和飛行器兩大部分，主控芯片均采用32位基于ARM Cortex-3的NXP LPC1549處理器，遙控器和飛行器之間通信采用2.4G民用無線通信頻段的NRF24L01模塊，模塊與MCU之間通過硬件SPI采用1MHz的速率通信。遙控器外形設(shè)計似游戲手柄，直接用PCB電路板打樣后作為遙控器外形。遙控器通過采集蘑菇頭搖桿電位器ADC電壓值以及按鍵狀態(tài)發(fā)送給飛行器。飛行器外形設(shè)計為十字架形狀，通過CAD繪制外形導(dǎo)入到Altium Designer軟件里Keep-Out Layer層作為飛行器切割外框。飛行器軟件設(shè)計主要是MCU通過硬件I2C采用400KHz的速率讀取MPU6050的數(shù)據(jù)，并定時利用慣性測量單元（IMU）姿態(tài)獲取技術(shù)，然后通過PID電機(jī)控制算法，把PID輸出量跟無線接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最終通過輸出到PWM來控制高速空心杯直流有刷電機(jī)來實現(xiàn)各種飛行狀態(tài)。其系統(tǒng)總體框圖如圖1.1所示。圖1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖二、硬件電路設(shè)計2.1 主控單元選擇從成本和性能以及掌握32位ARM芯片的熟練情況等各方面綜合考慮，本設(shè)計遙控器和飛行器均采用NXP LPC1549作為主控芯片，NXP LPC1549是恩智浦公司推出的低功耗、高集成、高性價比的MCU芯片。NXP LPC1549基于32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，主頻高達(dá)72MHz；具有獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線的哈佛架構(gòu)，并擁有供外設(shè)使用的第三獨(dú)立總線；內(nèi)置嵌套向量中斷控制器(NVIC)和存儲器保護(hù)單元(MPU)；配備256kB flash、32kB ROM、4kB EEPROM和36kB SRAM；支持FS USB、CAN、RTC、SPI、USART、I2C等外設(shè)。程序調(diào)試跟下載通過JLINK仿真器SWD模式來進(jìn)行。因此，NXP LPC1549是本系統(tǒng)設(shè)計的理想選擇。主控器最小系統(tǒng)如圖2.1所示。圖2.1 主控器最小系統(tǒng)原理圖2.2 電源電路的設(shè)計飛行器和遙控器作為兩個獨(dú)立的部分，電源是其中一個很重要的部分。在設(shè)計過程中，我采用CAT2829作為3.3V穩(wěn)壓芯片，CAT2829具有超低壓差、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。電路如圖2.2所示。圖2.2 電源穩(wěn)壓電路圖其中，電感L1作為消除飛行器磁通量使飛行器性能穩(wěn)定，必須要有；兩個100uF的大電容是起著電源濾波作用；磁珠的作用是把單獨(dú)的模擬電和數(shù)字電進(jìn)行隔離，以免產(chǎn)生不必要的干擾。2.3 飛行器硬件電路設(shè)計飛行器硬件電路設(shè)計的核心在于MPU6050慣性測量傳感器的電路，NRF24L01模塊電路、電機(jī)驅(qū)動電路等等。MPU6050與單片機(jī)連接是采用I2C通信，有固定的引腳接口接口。電路原理圖如圖2.3.1所示 圖2.3.1 MPU6050電路原理圖其中10K上拉電阻是為了增強(qiáng)驅(qū)動能力，MPU6050的七位設(shè)備地址是b110100x，最后一位是通過AD0管腳的電平來確定，本設(shè)計接的是地，所以設(shè)備地址是b1101000。圖2.3.2 飛行器電機(jī)驅(qū)動原理圖直流有刷電機(jī)驅(qū)動采用SI2302 N溝道增強(qiáng)型MOS管，它的開啟電壓為1V，完全能達(dá)到我們的設(shè)計要求；D2反向二極管防止電機(jī)斷電之后繼續(xù)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電流擊穿MOS管，起著保護(hù)MOS管的作用；R12為單片機(jī)I/O口的限流電阻；R14為下拉電阻，防止單片機(jī)上電之后I/O口為高電平時電機(jī)轉(zhuǎn)動。2.4 遙控器硬件電路設(shè)計遙控器硬件電路設(shè)計除了最小系統(tǒng)之外，主要還包括5路ADC電壓采集電路，其中4路ADC為電位器讀取位，1路為監(jiān)測遙控器電量所用；CH340G串口調(diào)試電路；其次就是NRF24L01接口部分，無線傳輸直接用的模塊，所以只留接口就可以了，然后還有液晶顯示接口，所用型號是NOKIA 5110液晶顯示器，液晶驅(qū)動協(xié)議是模擬的SPI。ADC電路就是相當(dāng)于滑動電阻器，比較簡單，這里介紹一下串口調(diào)試電路，電路圖如圖2.4所示。圖2.4 串口調(diào)試電路這部分原理圖主要解釋一下CH340G的V3管腳的連接，如過芯片VCC是5V供電， 那么V3外接0.01uF退耦電容，如果VCC是3.3V供電就直接接VCC。本次系統(tǒng)設(shè)計采用的是3.3V供電所以直接連接的VCC。三、軟件設(shè)計四軸飛行器軟件設(shè)計也分為兩個部分，遙控器部分和飛行器部分。遙控器部分程序主要包括串口打印、ADC采集、NRF24L01發(fā)送、液晶顯示、LED燈狀態(tài)等；飛行器程序主要包括NRF24L01接收、MPU6050傳感器I2C數(shù)據(jù)讀取、IMU濾波計算、PID控制算法等。3.1 遙控器程序設(shè)計遙控器的作為飛行器的控制單元，主要就是MCU采集搖桿電位器的電壓值以及讀取按鍵操作信號，然后把采集到的電壓值以及按鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)換成電信號，通過1MHz的SPI通信速率傳送給NRF24L01，NRF24L01再以2.4G的頻率與飛行器的NRF24L01通信，同時接收飛行器返回的狀態(tài)信息。程序框圖如圖3.1所示。圖3.1 遙控器程序流程圖3.2 飛行器程序設(shè)計飛行器程序設(shè)計的思路是初始化程序之后，首先接收NRF24L01的數(shù)據(jù)，是否接收到解鎖信號，如果接收到進(jìn)入循環(huán)，沒有接收到就繼續(xù)等待；進(jìn)入循環(huán)之后實時讀取MPU6050傳感器的原始數(shù)據(jù)，然后定時進(jìn)行IMU計算和PID計算，再把最后的量送給PWM進(jìn)行電機(jī)控制。飛行器程序流程圖如圖3.2所示。飛行器程序中，通過中斷來執(zhí)行函數(shù)，中斷一次0.5ms，每次中斷接收一下NRF24L01的數(shù)據(jù)，這樣來保證接收的遙控信號是最接近當(dāng)前的操作，實時讀取MPU6050的原始數(shù)據(jù)，中斷10次進(jìn)行一次IMU計算，這樣保證四元數(shù)互補(bǔ)濾波計算的微積分時間保持在5ms，然后中斷20次進(jìn)行一次串級PID自動控制運(yùn)算，保證PID微積分的時間保持在10ms。最后每2000次中斷也就是1s檢測一下飛行器的電池電量信息，并且發(fā)送到遙控器，讓操作人員能一直觀察電池電壓，以方面執(zhí)行飛行。四、總結(jié)本次設(shè)計四軸飛行器主要在于理論，程序中設(shè)計簡單緊湊，但是要真正意義上的能把飛行器平穩(wěn)的控制，難點(diǎn)在于MPU6050的數(shù)據(jù)處理，需要通過上位機(jī)觀察濾波完的歐拉角是否穩(wěn)定，保證這點(diǎn)的情況下，就是調(diào)試PID參數(shù)這里，PID本身原理很簡單，難點(diǎn)就是參數(shù)的確定，調(diào)節(jié)PID參數(shù)應(yīng)先確定PID中的P的系數(shù)，也就是比例，比例值的大小影響著系統(tǒng)的響應(yīng)速度，值越大響應(yīng)越快，但不是越大越好，取最佳值，然后再確定微分系數(shù)D，微分系數(shù)的大小起著改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，最后再確定積分系數(shù)，積分系數(shù)是為消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，只有確定好了這三個參數(shù)，四軸飛行器才能達(dá)到平穩(wěn)的飛行。通過最終是實踐調(diào)試，飛行器達(dá)到了飛行穩(wěn)定，可靠，通信良好的效果。參 考 文