基于MSP430单片机的四旋翼飞行器控制系统设计

汤金萍，周雷，金阿锁

(南通大学 电气工程学院， 江苏 南通 226019)

四旋翼飞行器是由4个带桨叶电机驱动并形成十字交叉结构的一种飞行器。本试验是以MSP430F149单片机为主控芯片，搭建四旋翼飞行器控制系统。以MPU-6050传感器获取飞行器的姿态信息，经过递推滤波算法，得到可靠的姿态数据，通过四元数融合算法，进行姿态解算，获得四旋翼飞行器的姿态角，然后借助PID控制算法，消除四旋翼飞行器在飞行过程中不可预测的误差，最后，以PWM波的形式控制无刷直流电机，实现四旋翼飞行器的自平稳控制。本试验完成了四旋翼飞行器的自平稳控制系统，能够基本实现四旋翼飞行器的平稳起飞与降落。

MSP430；MPU-6050；欧拉角；四旋翼飞行器；闭环控制

四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最常见、最简单的一种。2010年世界首款四旋翼飞行器AR.Drone问世，它由法国Parrot公司发布。它的定位是一款高科技玩具，性能非常优秀，轻便，很安全，容易控制，而且还能实现自悬停，拍摄图像，并通过WiFi传输到手机上显示。

DJI是众多四旋翼飞行器公司中值得一提的公司之一。在早些年，DJI主要工作放在直升机的控制上，在AR.Drone问世后，DJI看到了四旋翼飞行器的市场，开始研究四旋翼飞行器产品。2012年，DJI相继推出了几款飞行器产品。在当时AR.Drone的引领下，全球刮起了一股四旋翼飞行器商业化的热潮。

2013年1月，DJI推出Phantom，如图1所示。四旋翼飞行器被开发用作一个新领域——航拍。“Phantom”的中文意思是精灵，与它的外形很相配。随着Phantom的推出，四旋翼飞行器的市场也开始发生变化。Phantom很容易操作，没有操控经验的新手也可很快学会操作。与AR.Drone相比，Phantom的尺寸更大一些，在户外飞行时，抗风干扰的能力更强，Phantom还有GPS导航功能，可以飞行的范围很大。Phantom最大的特点，就是可搭载摄像机。Phantom可通过连接架挂载GoPro运动相机，拍摄极限运动。Phantom可以从不一样的视角拍摄，而且，与传统的飞机航拍不同，它小巧、灵活，可以让拍摄者自由控制角度。Phantom+GoPro拍摄模式的出现，让四旋翼飞行器更有生机。说多旋翼飞行器重新定义了航拍，一点都不为过。

从现在的四旋翼飞行器市场来看，一部分是以AR.Drone为代表的玩具市场，另一部分就是以DJI Phantom、DJI S1000为代表的航拍飞行器市场［1］。著名的快递公司顺丰就进行了多旋翼飞行器送快递的实验。在一些人类活动困难的地点，如火山口、沼泽地等，将多旋翼飞行器用于地质勘测的情况也越来越多。军事方面，多旋翼飞行器可以用于无人机侦察等。另外，多旋翼飞行器还可以用作森林防火监控、高速公路车辆监控、公共领域现场监控等。

1总体方案

1.1四旋翼飞行器基本结构

四旋翼飞行器是由4个带桨叶电机驱动并形成十字交叉结构的一种飞行器，本试验的四旋翼飞行器采用十字飞行方式，电机1为正前方，由此确定前后、左右。4个电机分别安装在十字结构的4个顶点，由此形成的四个旋翼结构相同，两两对称［2］。飞行控制器和电池被安装在中间交叉点位置。四旋翼飞行器的结构形式如图2所示。

1.2运动姿态分析

四旋翼飞行器由四个旋翼共同提供升力，通过改变4个电机转速，调节4个旋翼的升力，由此控制飞行器的姿态和飞行方向。四旋翼飞行器一共有6个自由度，4个力输入，6个状态输出，因此它是一个欠驱动系统［3］。

四旋翼飞行器常见的飞行方式有2种［4］:X飞行方式与十字飞行方式，其中两个电机正转，两个电机反转，以抵消自旋转力。本试验采用的是十字飞行方式，电机2、4顺时针旋转，电机1、3逆时针旋转。

规定电机1的方向即为正前方向，也是x轴方向；电机2为左方向，即y轴方向；电机3为右方向；电机4为后方向；z轴方向与x、y垂直向上。四旋翼飞行器的运动姿态可分为6种：垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、倾向运动，如图3所示。

2硬件系统设计

2.1硬件框架

四旋翼飞行器硬件结构如图4所示，以MSP430F149单片机为主控芯片，作为飞控板，采用MPU-6050获取飞行器姿态数据，并通过PWM波控制电子调速器，调节电机转速。用Nokia5110显示屏显示飞行器内部数据，便于调试。

2.2电源

对于四旋翼飞行器，电源的质量会很大程度地影响它的飞行。本试验所使用的是新西达2212 KV2200电机，搭配5043号桨叶，当单电机满载运行时，实测电流可达到21.1 A。所以当飞行器满载运行时，总电流将达到80 A以上。同时，考虑到四旋翼飞行器的搭载能力，电源的质量非常重要。本试验选用狮子 3S11.1V2 200 mAh 电池搭配电子调速器作为电源。

2.3角度传感器模块

MPU-6050是全球首例整合性6轴运动处理传感器，由InvenSense公司推出。MPU6050整合了3轴加速度传感器和3轴角速度传感器，其检测轴与方向如图5所示。

3轴加速度传感器的精度可编程选择，范围为：±2 g、±4 g、±8 g和±16 g［5］。

3轴角速度传感器精度范围：±250、±500、±1 000°/s与±2 000°/s。

2.4电机与电子调速模块

2.4.1选用电子调速器控制无刷直流电机

选用电机与电子调速器控制无刷直流电机。可用在四旋翼飞行器上的直流电机有无刷电机和有刷电机两种。无刷电机在运行时不会产生火花，减小了对遥控器无线信号的干扰，同时相对于有刷电机更安静、运行更顺畅，且结构可靠，基本不需要维护。所以电子调速器控制无刷电机更适合用作四旋翼飞行器。

2.4.2新西达2212KV2200电机

新西达2212KV2200电机的内部共7对极，12个绕组。

新西达2212KV2200电机的6种通电情况下，电机是外转子结构，即内部有线圈的部分为定子，有7对极的外壳为转子。

2.5飞控（MSP430F149）

MSP430是TI公司生产的低功耗系列单片机。采用16位精简指令结构（RSIC）［6］，其特点是：超低功耗；处理能力强；丰富的片内外设；系统工作稳定；开发环境简单、方便。

3软件与控制算法

飞控程序是实现四旋翼飞行器控制系统的关键。由定时器A产生20 ms中断，每次中断发生，MSP430F149通过I2C采集一次MPU-6050的数据，获取原始姿态数据，经过递推滤波、四元数融合算法，得到姿态角，再根据需要的飞行姿态，并通过PID算法，计算得到电机的控制量，最后经过PWM的方式控制电机转速［7］。在下一次中断发生时，飞行器的姿态信息通过MPU-6050更新到单片机，以此循环，从而实现了四旋翼飞行器的自平稳控制系统。

程序流程如图6所示。

4系统测试及实现成果

4.1姿态解算测试

在姿态解算测试时，使用Nokia5110显示屏，通过更改程序，可分别显示传感器原始数据、递推滤波后数据、四元数算法融合后数据、PWM波占空比数据。这样可以让用户直观方便地了解到数据处理结果，便于发现问题并进行调试，如图7所示。

实验结果表明：在小幅度摆动飞行器时，屏幕显示的姿态角信息（姿态角）无误。

4.2PID参数测试

PID控制的一个优点就是可以消除不可预测的误差，而PID参数是一组经验参数，需要根据实际的控制系统测试，选择合适的PID参数。对于四旋翼飞行器，PID调试方法如下：

(1)四旋翼飞行器采用十字飞行方式，俯仰角由电机1、3控制，滚转角由电机2、4控制。

(2)在调节俯仰时，先设置I、D为0（这里以P、I、D分别代表比例参数、积分参数、微分参数），只改变P的量，由小到大依次变化。当系统出现临界振荡，或收敛振荡时，此时的P值就是所需要的数据。

(3)比例环节是PID调节中最难调节的一个，只要确定了P值，积分和微分环节就比较容易实现。

(4)微分系数D也是影响系统调节的一个重要参数。微分环节的作用就是减缓误差的变换速度。在四旋翼飞行器中，就是让旋翼的摆动速度不能过快。在步骤（2）中，四旋翼飞行器已经出现等幅振荡，在等幅振荡的过程中，两个极值处的振荡速度最慢，在中间理想位置处，振荡速度最快。加入了微分环节D之后，在振荡速度最快的中间理想位置，微分环节作用最大，从而抑制了系统的过调，只要选择合适的D值，四旋翼飞行器就会快速、准确地调节到理想位置，而且不会出现过调。

PID参数的设定受到系统实际情况的影响，在不同的四旋翼飞行器之间也有所不同，所以PID参数需要实际的测试才能够确定。PID参数的测试结果如表1和表2所示。

5结论

本试验对四旋翼飞行器的结构进行了分析，完成了四旋翼飞行器的自平稳控制系统，能够基本实现四旋翼飞行器的平稳起飞与降落。本文介绍四旋翼飞行器的发展现状和发展历程，列举了四旋翼飞行器研究的部分技术难点，对四旋翼飞行器的飞行姿态进行了分析，并介绍了四旋翼飞行器软、硬件的实现。

参考文献

［1］ DAS A, SUBBARAO K, LEWIS F. Dynamic inversion with zerodynamics stabilization for quadrotor control［J］. IET Control Theory and Applications, 2009, 3(3): 303-314.

［2］ MIAN A A,Wang Daobo. Modeling and back stepping based nonlinear control strategy for a 6 DOF quadrotor helicopter［J］. Chinese Journal of Aeronautics,2008(21):261-268.

［3］ 侯永锋,陆连山,高尚德,等. 基于PD算法的四旋翼飞行器控制系统研究［J］. 机械科学与技术, 2012,31(3):359-362.

［4］ 王璐. 欠驱动四旋翼无人飞行器的滑模控制［J］. 哈尔滨工程大学学报, 2012,33(10):1-6.

［5］ 陈卫,杨忠,夏玉亮,等. MEMS加速度传感器在微型特种机器人中的应用［J］. 传感器与微系统, 2009,28（7）:110-113.

［6］ 杨平,王威. MSP430系列超低功耗单片机及应用［J］. 国外电子测量技术,2008，27（12）:48-50.

［7］ 黎泉,苏家强,李晓冉. 直流电机同步控制系统设计［J］. 河池学院学报, 2010，30（5）:46-51.

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