无人机多轴姿态传感器采集与处理

2018-12-25徐力四川大学锦江学院

数码世界 2018年4期

徐力四川大学锦江学院

1 引言

随着民用无人机的使用范围迅猛发展，比较有代表性的产品就是航拍系统。利用无人机进行摄像，可实现不同于人眼角度的拍摄效果。因此研究无人机的飞控系统，飞控系统的硬件设计、飞行器的相关数据测量技术以及飞行器的自动化控制，占据很大市场，具有较强的经济效益。无人机控制系统设计以及检测与控制技术设计多个学科、多个领域，是综合技术的交叉使用。无人机多姿态采集的研究有可能在某些层面上取得新的突破，因此对无人机多姿态的数据采集具有很强的理论意义。

2 系统方案设计

2.1 系统整体框图

总体框图采用两颗STM32单片机芯片，分别为STM32F103ZE和STM32F407ZG。STM32F103ZE用于无人机飞控板上，对无人机的环境状态进行数据采集。然后通过nRF24L01无线传输模块发送给地面上的从机接收设备。从机接收设备采用STM32F407ZG作为控制芯片。从机通过WiFi模块将数据发送到网络服务器中方便在电脑上查看系统状态。

2.2 系统设计可行性分析选择

2.2.1 主控模块

方案一：选用STM32系列嵌入式芯片使用8M晶振经过PLL锁相环倍频可提供72M系统时钟和32.768K晶振作为RTC实时时钟[5] ，共144引脚，1Mflash，196kbSRAM,多串口、支持SPI、IIC等多种通讯方式。可满足复杂的系统设计并可以使用RT-Thread、uC/OS等实时操作系统。

方案二：选用STC系列单片机该芯片采用处理器1T单时钟/ 机器周期，指令代码完全兼容传统8051 、工作电压5V、用户应用程序存储空间 60KFlash、1280 字节 RAM。内置A/D 转换模块, 共8 路，10 位精度ADC，转换速度可达250K/S，价格低廉。

因为我们所做系统较为复杂比较以上二种方案，很容易看出，采用方案一，芯片功能强大，软件设计也比较简单，故采用了方案一，采用STM32F103ZE。

2.2.2 RFID收发模块

方案一：选用NRF24L01，其工作在2.4GHz~2.5GHz频段。具有输出功率大和通信频道可以通过配置寄存器来实现等优点。该模块工作的功耗比较小，而且有很多模式可以切换，使用方便，它是一个比较常用的无线传输模块。

方案二：选用主控芯片为CC1101的433M无线收发模块。该无线收发模块的天线输入端有选频电路，主要工作在315MHz和433MHz。该模块接收灵敏度高，功耗极低，工作电压为5V，直接由单片机供电。除此以外，它的芯片设计和电路设计都非常优秀，抗干扰能力也非常强，稳定性好。

比较以上两个方案433M模块有很多优点，如抗干扰能力强、功耗很低、稳定性好等,虽然CC1101有很多优点但传输距离不满足设计要求。因此，选择方案一中的NRF24L01作为无线传输模块。

2.2.3 GPS模块

方案一：选用ubox m8n模块，m8nGPS模块具有体积小、功耗低、支持全球四大卫星定位系统等特点，但价格稍贵。

方案二：选用ATGM332D模块。该模块同样支持全球四大卫星定位系统，且板载E2PROM可设置保存波特率等信息，且价格实惠。

故选用ATGM332D模块，完全满足设计要求。

2.2.4 加速度传感器模块

方案一：选用GY521模块，GY521使用MPU6050芯片，可输出三轴陀螺仪数据和三轴加速度数据。通讯方式采用标准的IIC通讯协议。内置16位AD转换器，16位数据输出。

方案二：选用GY953模块，GY953使用MPU9250芯片，可输出三轴陀螺仪数据、三轴加速度数据、欧拉角数据和磁力计数据。通讯方式采用可选择SPI通信协议或者串口通讯协议。

由此可以看出GY953的功能更加齐全，所以这里选用GY953模块，通讯方式使用串口通讯。

3 多姿态采集系统程序设计

3.1 GPS模块程序设计

因为GPS模块采用串口通讯，硬件设计为串口1所以首先初始化串口void uart_init(u32 bound)；将PA9、PA10引脚设置为复用。设置波特率为115200。然后编写了一个串口数据解析函数void parseGpsBuffer()；串口发送来的数据为字符串类型，所以可以使用strstr（）；函数进行字符串拆分，得到系统采样时间以及经纬度信息。