基于TM4C123G的四轴飞行器控制系统

向常青

摘 要：以TI公司基于ARM的32位微控制器TM4C123G为控制核心，设计了一款四轴飞行器控制系统，实现了对四轴飞行器的姿态控制。介绍了飞控系统硬、软件的设计方法，利用Matlab仿真工具设计了PID控制器，实现了四轴飞行器的平稳飞行和远程遥控。

关键词：四轴飞行器；飞行控制系统；PID控制器；姿态解析

中图分类号：TN710 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.077

近年来，四轴飞行器受到了科研人员的广泛关注。由于四轴飞行器具有垂直起降、可携带远程设备、控制灵活等优点，目前已被广泛应用于影视航拍、安防消防、农业植保、电力巡线等领域。

本研究在当前四轴飞行器控制理论与技术的基础上，选用德州仪器公司基于ARM的32位TM4C123G系列微处理器、三轴陀螺仪MPU6050等传感器设计了硬件系统，利用MATLAB设计了模糊PID控制器，并在此基础上搭建了硬件实验平台，最终实现了预期设计目标。

1 四轴飞行器的工作原理

四轴飞行器使用4个独立的无刷电机作为系统的动力系统。4个电机分别安装在十字机架的4个顶端位置。通过控制4个电机的转速，就能控制四轴飞行器的飞行姿态。四轴飞行器的结构模型如图1所示。

2 四轴飞行器控制系统的总体框架

四轴飞行器的飞行控制系统由姿态传感器、微控制器、电子调速器和电源四大部分组成。其中，姿态传感器用来测量四轴飞行器飞行时的姿态数据；微控制器负责对这些数据、内置状态和遥控器指令进行综合处理，然后输出4路PWM信号控制电子调速器，以改变电机转速，实现预期的飞行姿态。

3 系统硬件设计

四轴飞行器控制系统以德州仪器公司基于Cortex-M4内核的TM4C123G为主控制器。该控制器主频高达80 MHz，具备DMA单元，有多达24路的PWM输出和12位高精度ADC，主要负责传感器数据的采集和处理。姿态解算算法、PID算法和遥控信号的解码用来接收和发送数据命令。控制系统的结构如图2所示。

3.1 姿态传感器模块

四轴飞行器的飞行姿态可以用6个物理量表示，即三维坐标中的3个位置量和沿3个轴的姿态量，称为六自由度。陀螺仪的作用是测量四旋翼飞行器的角速率，在惯性导航系统中非常重要，陀螺仪选型的依据是精度和稳定性。三轴数字输出陀螺仪L3G4200D是意法（ST）半导体公司推出的一款MEMS运动传感器，可选择-250～250 dps、-500～500 dps、-2 000～2 000 dps三种全量程。该传感器采用I2C和SPI接口输出，可以精确地采集四旋翼飞行器3个方向的角速率和线加速度数据。由于导航参数会随传感器的测量误差积累而发散，在惯性导航算法中，不能长时间自主飞行，因此，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。HMC5883采用I2C通信协议，无需额外的转换电路即可与STM32的硬件I2C接口通信。

3.2 无线通信模块

无线通信模块是四轴飞行器与遥控器的通信纽带。本研究要求无线传输距离小于100 m，利用nRF24L01+进行无线通信。nRF24L01+是一款工作频率在2.4～2.5 GHz之间、世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片，其通过SPI接口与MCU连接，速率为0～8 Mbps，支持2 Mbps、1 Mbps和250 kbps的传输速率，支持自动应答、自动重发、内置地址和CRC数据校验模功能，且使用方便，在100 m之内传输稳定、可靠，最终可实现遥控装置与飞行控制器之间的通信。

3.3 电机驱动模块

本研究采用电调控制无刷电机。通过TM4C123G输出4路PWM信号控制电调，对电机转速进行调整，从而控制飞行姿态。

4 系统软件设计

四轴飞行器是一个欠驱动系统，具有4输入6输出，其对称的结构设计使四轴在对俯仰角和横滚角的控制上有着几乎相同的控制特性，且两者相对独立。四轴飞行器的俯仰、横滚、偏航、升降可以通过4个输入量来控制。飞行控制系统微处理器主要负责各个模块的初始化、系统自检、传感器数据解算、遥控信息解算、控制算法执行和控制量输出等。通过信号量和消息队列，实现了各任务间数据的相互交换和同步。

5 结束语

本文利用Matlab设计了PID控制器，并给出了基于TM4C123G微控制器的四轴飞行器控制系统的硬、软件设计方案。通过实际搭建硬件测试平台，实现了预期的设计目标。

参考文献

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〔编辑：王霞〕