基于msp430的四旋翼飞行器的控制系统设计

基于msp430的四旋翼飞行器的控制系统设计

冯硕

冯硕

吉林农业科技学院

摘要：小型四旋翼飞行器的研究近年来在国际上日趋成熟，并为自动控制，先进传感技术以及计算机科学等诸多技术领域的融合研究提供了一个平台，为了改变国内传统四旋翼飞行器飞行时间短，采用低能耗msp430单片机为主控，本文详细介绍了硬件设计飞行控制主程序电机调速和控制算法.提出遥控自主控制型无人驾驶直升机控制仿真综合飞行控制系统设计概念，基于无人直升机自身的控制仿真综合飞控系统可进行工程闭环飞行仿真，不论在研制阶段或使用阶段都可对无人直升机系统的飞行性能、飞控系统硬软件特性及可靠性、任务飞行参数预设置等进行深入的验证，地面飞控人员也可以在真实的系统上进行逼真的训练．此外控制仿真综合飞控系统能通过飞行实践不断完善系统性能和在线检测系统异常，提高飞行安全性．提出２种控制仿真综合飞行控制系统的总体结构，其中之一已应用于某型无人直升机上

关键词四旋翼飞行器；飞行控制器；自适应控制

1硬件设计

飞行器硬件部分主要包括控制器模块、传感测量模块、电机驱动模块、通讯模块、电源模块和机体平台，系统硬件组成结构图如下。

1.1飞行控制主程序

主程序的主要功能是采集各传感器信号，处理得到飞行器的位置和姿态数据，运行控制算法输出电机速度控制信号，完成飞行器闭环控制。主程序结构图如图6所示，由主程序等待中断和两个优先级不同的中断服务程序构成。主程序开始为初始化DSP系统设置，初始化SCI、SPI、I2C、PWM等各模块设置，然后进入等待中断循环。SCI通讯中断优先级较低，主要是接受主机的指令，并采集位置信息，完成外环控制器计算，输出内环控制的设定值。姿态控制中断是一个优先级较髙的定时中断，设定控制周期为5ms，在此控制周期中需要完成飞行器姿态信息采集和处理，根据外环控制输出的设定值计算四个电机的转速设定值，并把此设定值以脉宽方波的形式输出给电机调速模块。

1.2电机调速

在无刷直流电机驱动模块上，单片机MSP430中运行的调速主程序结构如图7所示。首先是外设模块初始化，然后接收到主控制器发出的起动指令后，调用外同步变频起动程序采用三段式起动方法使电机起动升速，直至电机速度反电势信号清晰可用，由外同步向内同步调速运行切换，实现电机的闭调速，调速算法采用常用增量式PID算法。

2PD控制器比例-微分控制的简称。在闭环控制系统中，PD调节器的控制作用是使系统稳定的前提下，偏差最小。在连续系统中，PD控制器输入输出都是时间的函数，将其离散化后的运算关系为

（1）

式中：为对控制量的调节；为比例调节的系数；为微分调节的系数；为控制量的目标状态；为调节量在第n个采样周期的实际状态。

本系统利用PD算法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。飞行器姿态向量为

结束语本研究给出了基于msp430处理器的四旋翼飞行器的软硬设计方法改变了传统单片机为主控飞行时间短的弱项并以采用pd的控制算法实现了飞行器的平稳飞行.利用msp430的优越性能，使设计的四旋翼飞行器具有体积小，重量轻，功耗低的特点，经过多次室内试验，该硬件性能稳定，能满足飞行器起飞悬停降落等飞行模态的控制要求

参考文献；

[1]阮毅，陈伯时《电力拖动自动控制系统》北京：机械工业出版社，2003.

[2]李荣生《电气传动控制系统设计指导》北京：机械工业出版社，2004.

[3]史国生《交直流调速系统》北京：化工工业出，2002.

[4]罗飞《电力拖动与运动控制系统》北京：化学工业出版社，2007.