基于双处理器的四旋翼飞行控制系统研究吴思颖+李亚楠+王年丰+姚远摘要摘要：为提高四旋翼飞行器工作可靠性，采用STM32F407VGT和R5F100LE处理器，设计了四旋翼飞行器控制系统。加速度陀螺仪MPU6050模块采集飞行姿态数据，超声测距模块、激光传感模块和摄像头模块提供导航参数，采用滤波算法对传感器所采集的数据进行处理，使用PID控制算法实现寻线前进。实验测试表明，飞行器能一键起飞，完成空投任务，精确降落。关键词关键词：四旋翼飞行器；姿态控制；双处理器；滤波算法DOIDOI：10.11907/rjdk.162226：TP319：A：16727800（2017）001004403引言四旋翼飞行器是一个多传感器以及众多子系统（导航、通信、飞行控制等）构成的高集成控制系统。近年来，随着嵌入式处理器、传感技术、控制技术的发展，尤其是智能控制算法的应用，其性能得到了极大提高，在测控、巡检等军事和民用领域得到了广泛应用[12]，具有极高的研究价值和应用潜力。四旋翼飞行器有4个输入量、6个自由度输出，调整飞行姿态和实现室内定位是四旋翼飞行器设计的难点之一[3]。现有的飞行控制系统一般采用ARM7、DSP等高速处理器作为控制芯片。这类单芯片飞控系统，在一个控制周期内要完成数据采集、数据处理、控制运算及指令输出，还需将数据输出到监控系统，实现室内定位和寻迹飞行，会产生过重负荷，导致系统可靠性下降。为提高系统可靠性，本文采用ST公司的STM32F407VGT负责主控，瑞萨单片机R5F100LE处理器负责数据处理，调制PWM（PulseWidthModulation）信号输出占空比驱动无刷直流电机，姿态传感器（MPU6050集成模块）检测飞行器的加速度和角速度，摄像头寻迹模块检测地面导航线，US-100超声测距模块获取飞行器的飞行高度，运用卡尔曼滤波算法对传感器数据进行分析融合，串级PID算法对飞行器进行控制，实现四旋翼飞行器的双处理器飞行控制系统设计。1飞行控制系统本设计采用分工协作机制，由ST公司的STM32F407VGT负责主控，瑞萨单片机R5F100LE负责数据处理以提高控制可靠性。其中STM32F407VGT采用先进的Coretex-M4内核，最高处理速度可达210DMIPS的处理能力，存储空间大，具有浮点运算能力和增强处理指令的优点，带有多种外设接口，如照相机接口、加密处理器和带FIFO的DMA控制器等。而R5F100LE单片机内置高速振荡器时钟，最高频率可达32MHZ，其最短指令执行时间可在高速至超低速间更改，自带单电源闪存，支持自编程功能，内置上电复位、看门狗定时器、按键中断、时钟输出/蜂鸣器输出控制电路等功能，使用极其方便。四旋翼飞行器的4个动力臂呈十字交叉状固定在四旋翼飞行器中心部件上，每个动力臂末端的电机座上固定一个电机和螺旋桨。通过改变电机转速，可使飞行器在其惯性参考坐标系中产生六自由度运动，包括3个坐标轴方向的线运动（进退、左右侧飞和升降）和3个坐标轴方向的角运动（偏航、俯仰和横滚），可实现在有限区域的垂直起降、穩定盘旋以及精确目标移动等飞行姿态控制[1]。姿态控制是整个飞行控制的基础。姿态控制系统通过检测飞行器在机体坐标系下3个轴向的角速度、角度和相对地面的高度等相应姿态信息，采用相应的控制算法解算出4个电机的转速，发送给电机调速器调整电机转速，实现对飞行器飞行姿态的调整。2相关控制方法四旋翼飞行器姿态调整的控制算法很多，如DI（digitalinput）控制、PID（比例微分积分）控制以及LQ控制等。其中，PID控制算法具有适用面广、控制参数相互独立、参数选定相对简单等优点[45]，本系统采用PID控制算法实现飞行姿态控制。该算法可以分别计算出飞行器的自转调节量、左右倾斜调节量、油门控制调节量、前后俯仰调节量等，使系统稳定偏差最小，保证飞行器能按照动作指令有效完成指定动作，如寻线和定高飞行等。PID控制系统原理：①比例环节可以准实时成比例地反映控制系统的偏差信号变化；②积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；③微分环节反应偏差信号的变化趋势（变化速率），加快系统的动作速度，减小调节时间，如图1所示。理[67]，计算出当前的飞行姿态和地面控制需要的目标姿态，比较实际姿态和目标姿态的差异，估计过程状态，并使估计均方差最小；利用PID算法...