【Dream团队】基于MSP430F5529四旋翼自主飞行器

本帖最后由 wangjiamin2014 于 2015-1-6 14:22 编辑

项目名称：基于MSP430F5529四旋翼自主飞行器

团队名称：Dream

团队成员：张航|肖勃|罗娟

作品演示
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作品介绍

四轴飞行器作为低空低成本的遥控平台，在各个领域应用广泛相比其他类型的飞行器。本设计四旋翼自主飞行器以ti公司生产的MSP430F5529微控制器为核心控制单元，使用InvenSense 公司生产的整合性 6 轴运动处理组件 MPU-6050采集飞行器XYZ轴角度与角速度，使用互补滤波处理初始角度值获得准确四元数，通过四元数与欧拉角转换公式得到飞行器俯仰角roll、横滚角pitch、偏航角yaw，通过 PID 算法调节电机的转速与方向，实现对飞行器姿态控制。使用超声波传感器模块对飞行器高度进行测量，通过 PID 算法调节电机的转速，实现对飞行器高度控制，从而实现飞行器平稳悬停。

原理概述
四旋翼飞行器就是一个非线性高耦合欠控制的系统，在建立数学模型时往往会忽略某些外界不稳定因素以及旋翼之间的相互作用等难以精准描述，从而建立一个理想的动力学模型，分析该动力学模型可知，该子系统是非线性但完全能控。可以将输入为非线性的该系统转变为输入为线性的系统。在此种情况下加入状态负反馈，依据飞行器的陀螺仪反馈回的角加速度与加速度计反馈回的姿态角度建立一个双闭环调速系统，从而矫正初始的姿态角。由于四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它也是一种欠驱动系统。由于系统的复杂性，因此对设计的硬件电路、软件控制、机械构架三个方面都有严格的要求。

传感器的选型
四轴飞行器具有六个自由度，所以需要测量3各轴向的旋转角速度和加速度。考虑到系统的控制要求，考虑使用集成的六轴传感器，在此选择采用 InvenSense 公司生产的整合性 6 轴运动处理组件 MPU-6050。该器件内部具有可编程的精度和范围。同时采用I2C串行传输协议实现数据的传输，大大节省了芯片接口，操控方便，同时由于内部集成了MPU处理模块，对于四轴飞行器姿态角的计算也带来了方便。

姿态数据融合
为了得到当前飞行器的飞行姿态，采用了加速度和角速度两种传感器来获取姿态数据，在惯性系统中，加速度测量的是重力方向，有系统外绝对的参照物“重力轴”，在无外力的加速的情况下，能够准确输出ROLL/PITCH两轴姿态角，并且此角度不会有累积误差，传感器不会区分出重力加速度和外力加速度，加速度传感器的输出将不再准确，而飞行器运动过程中必然存在这样的问题。

相应的，陀螺仪输出的角速度，是瞬间的输出量，然而偏差的角度量才能对惯性导航系统进行控制，因此需要对角速度传感器的输出量对时间进行积分，从而得到旋转的角度，将初始角度与积分得到的旋转角度相加，也就得到了绝对的偏差角度量；然而陀螺仪的工作原理决定了它的测量标准是它本身，没有也不需要其他据对的系统参照物，最终与实际产生较大偏差，使得计算的角度与实际角度相异,用加速度传感器对陀螺仪进行不断的校正，融合两者的姿态数据才能更准确的反应出当前飞行器的姿态。

主要芯片
MSP430 G2553 LaunchPad
使用TI公司生产的MSP430G2553 LaunchPad为核心控制单元，结合蓝牙模块设计制作无线键盘。通过调节拨码开关对飞行器飞行模式进行选择，使用无线键盘对飞行器飞行高度、偏移距离、悬停时间等参数进行修改。