发布时间 : 星期五 文章四轴飞行器的姿态检测模块设计报告更新完毕开始阅读3d6b86d469eae009581becff
第一章 绪论
1.3 姿态检测技术在四轴飞行器的应用
四轴飞行器作为微型飞行器的其中之一，也是一种空中智能机器人，最初是由国外航空模型爱好者玩家自制成功，一开始并没有得到很好地应用。后来很多自动化厂商，发现它具有多种用途尤其是监控、航拍以及电影制作等领域而积极投入资金，参于研制。它利用有四个电机带动四个旋翼旋转产生升力作为飞行动力来控制空中飞行，它的重量较轻、尺寸较小、适合携带和使用的无人驾驶飞行器具有相似的功能，如能够携带一定的有效载荷，具有自主控制导航的飞行能力。可在复杂、危险的环境下完成常人难以完成的任务。
自1953年以来，如何控制刚体姿态的问题已经吸引包括航空航天与机器人领域在内的各领域学界的浓厚兴趣。其中原因正是许多领域如宇宙飞船、人造卫星、直升机、弹导导弹、机器人机械手、水下潜艇以及其他一些具有需要刚体结构参与的机械都需要对刚体姿态控制。一些方法中有着广泛的应用如时间优化控制，李雅谱诺夫程序设计、四元数反馈和反演法、自适应非线性和鲁棒控制。
图1-2 四轴飞行器
四轴飞行器，如图1-2所示，对于常规的直升飞机有一些优势：由于对称性，这种飞行器显得非常优雅，并且价格低廉、设计和构建也很简单。但也有一些不足，由于四轴飞行器具有不稳定、强耦合以及非线性等特性，姿态控制是四轴飞行器控制系统的核心[5]。而姿态检测技术又是姿态控制的核心。姿态检测技术能准确的将刚体的空间位置信息通过数字信息反馈出来，然后经过微处理器分析处理，然后微处理器控制执行机构动作，以满足控制要求。姿态检测技术需要获得俯仰角?、横滚角?、偏航角?信息，然后反馈给微处理器，微处理器通过调节电机的转速维持机体的控制需要。
1.4 本课题研究的主要内容
本课题主要基于微机械惯性传感器的微小型姿态检测模块设计，利用STC89C52单片机，集成芯片传感器MPU6050和传感器HMC5883L完成姿态检
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第一章 绪论
测模块的设计，用以满足一些机体姿态检测或姿态控制精度要求不高的场合。
论文主要包括以下内容：
1、根据课题设计要求，完成四轴飞行器姿态检测模块方案设计，包括处理器的选择，传感器的选择以及显示模块的选择。
2、根据查阅相关芯片资料和设计需要，设计硬件模块电路，包括处理器模块电路设计，传感器模块电路设计。
3、通过软件设计，达到本设计需完成的功能。软件设计主要包括设计流程图，滤波算法，姿态解算算法。
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第二章 方案设计
第二章 方案设计
四轴飞行器姿态检测模块设计功能是要求该检测系统能够通过传感器检测得到三轴加速度和三轴角速度以及两轴磁场，并且通过互补滤波将这些数据融合，最终得到空间载体的三个姿态角。
2.1 微处理器的选择
根据本模块设计需要，要求微处理器具有以下硬件要求： 微处理器具有一定大小的内存；
采用1602液晶显示，要求具有一定量的I/O口； 支持STC-ISP软件，支持在线调试； 具有串行通信接口； 具有定时器功能； 具有中断功能；
因此选择的微处理器要求具有以上功能。STC公司生产的STC89C52RC单片机具有以下资源：8K字节Flash，512字节RAM，32位I/O口，2个外部中断INT0和INT1，3个16位定时器/计数器T0、T1、T2，1个全双工串行口TXD/RXD。而且STC89C52单片机相对于16位、32位处理器来说，其价格便宜，编程简单；STC8952单片机基本能达到本课题设计需要，故选择其作为本次四轴飞行器姿态检测模块系统的处理器。
2.2 传感器的选择
空间载体可做六自由度运动，姿态信息可分解为相互正交的三个方向的线速度和角速度。姿态检测系统要求检测载体的姿态信息，而姿态信息的获取来自姿态检测系统的一个姿态检测模块。本次四轴飞行器姿态检测模块所需的传感器有加速度计和陀螺仪。加速度计用来测量机体的三轴加速度，陀螺仪用来测量集体的三轴角速度。 （1）加速度计
目前，通用的加速度计主要有ADXL345，BMA180以及MPU6050等。 ADXL345是ANALOG DEVICE公司生产的低功耗集成数字试3轴加速度计，其固定测量精度为10位，但可根据所测量的加速度大小进行动态改变，测量加速度量程最大可达+-16g，此时精度可以达到13位，x、y、z三轴的分辨率分别为230LSB/g、256LSB/g、282LSB/g。工作电压为2.5V~3.6V，拥有一个SPI总线接口以及一个IIC总线接口。
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第二章 方案设计
BMA180是BOSCH公司生产的高精度的加速度计传感器，其测量精度可达14位，最大精度可达8192LSB/g，工作电压位1.62V~3.6V，也拥有IIC总线接口和SPI总线接口。 （2）陀螺仪
陀螺仪的型号主要有IGT3200和MPU6050等。
IGT3200是世界上第一个单芯片，数字输出，3轴MEMS陀螺仪集成电路，对3D鼠标、游戏和三维远程控制有广泛的应用[6]。其测量的角速度精度为16位，分辨率为14.375deg/s，最大测量范围位2000deg/s，工作电压2.6V，可使用IIC总线接口与处理器进行数据通信。
MPU6050集成了陀螺仪和加速度计，而且它内部的加速度计和陀螺仪分别用了3个16位的ADC模数转换器，可将其测量到的模拟量的加速度和角速度转化为可输出的数字量加速度和角速度。为了精确跟踪飞行器慢速和快速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，可在程序中通过寄存器的设定来改变加速度计和陀螺仪的量程。陀螺仪的测量范围为+-250deg/s，+-500deg/s，+-1000deg/s，+-2000deg/s，加速度计的测量范围为+-2g，+-4g，+-8g，+-16g。MPU6050与所有设备通信数据通信采用400KHz的IIC总线接口，其工作电压为2.5V~3.3V。 （3）电子罗盘
电子罗盘是一种重要的导航工具，能实时提供移动物体的航向和姿态。霍尼韦尔 HMC5883L是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，内部含有12位的模数转换器ADC，可将模拟量转换为数字量输出。测量范围为+-8高斯，导航精度可达2度。本次设计电子罗盘采用HMC5883L芯片。
根据以上信息的描述，MPU6050传感器相对于其他加速度计和陀螺仪传感器，它具有相当明显的优点：集成了加速度计和陀螺仪，减少了包装空间，16位高精度，HMC5883L导航精度较高。故综合各方面性能，选择MPU6050传感器作为四轴飞行器姿态检测模块芯片。
2.3 显示模块的选择
本课题要求测量的姿态信息分别为三轴加速度和三轴角速度，以及通过数据融合得到的载体的三个姿态角。可用1602液晶或上位机显示。由于1602液晶最多只能显示16个字符，故用1602液晶显示时得另外给系统增加一个按键，用于切换显示,而用上位机显示则能一次性将9个数据全部显示出来。由于1602液晶能显示的字符太少，显示的各项数据不能标识，显示的不是很直观。相反，上位机能显示的数据量更多，显示的精度也更高。故显示模块采用上位机显示。
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