无人机多轴姿态传感器采集与处理

徐力 四川大学锦江学院

1 引言

随着民用无人机的使用范围迅猛发展，比较有代表性的产品就是航拍系统 。利用无人机进行摄像，可实现不同于人眼角度的拍摄效果。因此研究无人机的飞控系统，飞控系统的硬件设计、飞行器的相关数据测量技术以及飞行器的自动化控制，占据很大市场，具有较强的经济效益。无人机控制系统设计以及检测与控制技术设计多个学科、多个领域，是综合技术的交叉使用。无人机多姿态采集的研究有可能在某些层面上取得新的突破， 因此对无人机多姿态的数据采集具有很强的理论意义。

2 系统方案设计

2.1 系统整体框图

总体框图采用两颗STM32单片机芯片，分别为STM32F103ZE和STM32F407ZG。STM32F103ZE用 于 无人机飞控板上，对无人机的环境状态进行数据采集。然后通过nRF24L01无线传输模块发送给地面上的从机接收设备。从机接收设备采用STM32F407ZG作为控制芯片。从机通过WiFi模块将数据发送到网络服务器中方便在电脑上查看系统状态。

2.2 系统设计可行性分析选择

2.2.1 主控模块

方案一：选用STM32系列嵌入式芯片使用8M晶振经过PLL锁相环倍频可提供72M系统时钟和32.768K晶振作为RTC实时时钟[5] ，共144引脚，1Mflash，196kbSRAM,多串口、支持SPI、IIC等多种通讯方式。可满足复杂的系统设计并可以使用RT-Thread、uC/OS等实时操作系统。

方案二：选用STC系列单片机该芯片采用处理器1T单时钟/ 机器周期，指令代码完全兼容传统8051 、工作电压5V、用户应用程序存储空间 60KFlash、1280 字节 RAM。内置A/D 转换模块, 共8 路，10 位精度ADC，转换速度可达250K/S，价格低廉。

因为我们所做系统较为复杂比较以上二种方案，很容易看出，采用方案一，芯片功能强大，软件设计也比较简单，故采用了方案一，采用STM32F103ZE。

2.2.2 RFID收发模块

方案一：选用NRF24L01，其工作在2.4GHz~2.5GHz频段。具有输出功率大和通信频道可以通过配置寄存器来实现等优点。该模块工作的功耗比较小，而且有很多模式可以切换，使用方便，它是一个比较常用的无线传输模块。

方案二：选用主控芯片为CC1101的433M无线收发模块 。该无线收发模块的天线输入端有选频电路，主要工作在315MHz和433MHz。该模块接收灵敏度高，功耗极低，工作电压为5V，直接由单片机供电。除此以外，它的芯片设计和电路设计都非常优秀，抗干扰能力也非常强，稳定性好。

比较以上两个方案433M模块有很多优点，如抗干扰能力强、功耗很低、稳定性好等,虽然CC1101有很多优点但传输距离不满足设计要求。因此，选择方案一中的NRF24L01作为无线传输模块。

2.2.3 GPS模块

方案一：选用ubox m8n模块，m8nGPS模块 具有体积小、功耗低、支持全球四大卫星定位系统等特点，但价格稍贵。

方案二：选用ATGM332D模块。该模块同样支持全球四大卫星定位系统，且板载E2PROM可设置保存波特率等信息，且价格实惠。

故选用ATGM332D模块，完全满足设计要求。

2.2.4 加速度传感器模块

方案一：选用GY521模块，GY521使用MPU6050芯片，可输出三轴陀螺仪数据和三轴加速度数据。通讯方式采用标准的IIC通讯协议。内置16位AD转换器，16位数据输出。

方案二：选用GY953模块，GY953使用MPU9250芯片，可输出三轴陀螺仪 数据、三轴加速度数据、欧拉角数据和磁力计数据。通讯方式采用可选择SPI通信协议或者串口通讯协议。

由此可以看出GY953的功能更加齐全，所以这里选用GY953模块，通讯方式使用串口通讯。

3 多姿态采集系统程序设计

3.1 GPS模块程序设计

因为GPS模块采用串口通讯，硬件设计为串口1所以首先初始化串口void uart_init(u32 bound)；将PA9、PA10引脚设置为复用。设置波特率为115200。然后编写了一个串口数据解析函数void parseGpsBuffer()；串口发送来的数据为字符串类型，所以可以使用strstr（）；函数进行字符串拆分，得到系统采样时间以及经纬度信息。

3.2 九轴传感器模块程序设计

九轴传感器硬件设计同样为串口通讯方式，初始化引脚为串口通讯方式后，读取九轴传感器数据采用查询的方式进行数据请求。当GY953模块接收到数据请求时，会将相应的数据信息发送给MCU。MCU读取数据缓存区即可获得需要的传感器数据。

3.3 软件算法设计

本设计一个使用了两个算法，一个是卡尔曼算法，一个是PID算法。因为系统数据采集过程中避免不了噪声的干扰，所以程序设计了卡尔曼滤波算法利用动态信息有效的去除噪声干扰，得到可靠的预估值。PID算法是使用是为了能够根据采集到的姿态信息更加稳定的控制驱动电路，使飞行状态更加平稳。

[1] 吴成富,冯喆,马松辉.一种基于红外传感器的无人机姿态测量方法[D].学术论文:西北工业大学,2012

[2] 杨淑洁,曾庆双,伊国兴.低成本无人机姿态测量系统研究[J].传感器与微系统,2012,(10).378-830