基于ARM内核单片机的四旋翼直升机飞行控制系统设计

2．2 传感器数据采集及通信接口设计
2．2．1 组合导航系统数据采集
    组合导航系统采用了惯性导航与全球卫星定位系统(GPS)相结合的方案，二者能够弥补相互的不足，为无人机提供可靠性好，自主性和精确度高的导航信息。其中惯性导航系统选择了基于MEMS技术的惯性传感器，结合卡尔曼滤波算法和四元数法及三轴磁力计温度补偿进行姿态解算和估计。传感器的输出为数字信号，通过串口发送数据。由于STM32片内集成串口，因此设计RS232电平与TTL电平转换电路以实现数据通信。电平转换电路采用MAX232芯片，电路如图4所示。

2．2．2 超声波传感器
    用于测量高度的超声波传感器采用SensComp公司的615088传感器，它具有两种模式：触发测距模式和5 Hz自动测距模式。测量范围：0．15～10．7 m，测量精度：0．1％。
    STM32采用捕获中断方式测得超声波发送的边沿跳变信号与经障碍物反射回来的超声波边沿跳变信号，做差换算得到超声波模块与障碍物的距离。实测在0．2～10 m范围内的距离，其测距误差不超过0.1％，满足四旋翼飞行器飞行的精度要求。
2．2．3 无线数传模块
    本设计方案所选用的无线数据传输模块有TTL、RS232、RS485 3种接口，同时配有USB转，TTL模块，在开阔地的传输距离可达800 m。飞控系统主控芯片通过无线数据传输模块与上位PC机进行通信，传送由传感器获得的飞行数据到上位PC机以实时监测飞行状态，同时上位PC机也可以向飞行器传送飞行控制指令及相关参数。
2．2．4 PWM信号的采集与输出
    由于四旋翼飞行器的飞行完全依靠四个电机的转速变化来控制，其不同于固定翼飞机的是滚转、俯仰、偏航以及油门通道均需要通过4个电机联动才能实现对四旋翼飞行器的控制。因此，需要在油门通道控制信号的基础上叠加其余3个通道信号，混控合成之后的四路信号分别输出至4个电子调速器对各个电机加以控制。
    根据四旋翼姿态控制的原理，定义4个电机序号以及机体轴系如图5所示。

    根据上述分析，电机控制信号混控公式如式(1)所示：
    
    其中△φ=φ-φmid，△θ=θ-θmid，△ψ=ψ-ψmid。M1，M2，M3，M4分别表示电机1～电机4的控制信号，T表示油门通道控制信号，φ表示滚转通道控制信号，θ表示俯仰通道控制信号，ψ表示偏航通道控制信号，φmid、θmid、ψmid分别表示滚转、俯仰、偏航通道控制信号的中立值。