简单飞控平台的分析与设计

冯泽霖

摘要：随着自动化技术的普及，无人机在军事、摄影、高空作业等相关行业已经成为必不可少的一部分，但是现有飞控仿真平台收费高昂且比较单一，不能对飞行姿态进行仿真同时对专业水平要求较高，降低了用户体验感。本设计通过LabVIEW软件与单片机来对飞行姿态进行读取和分析。通过LabVIEW软件进行数据读取，数据分析，数据仿真等一系列位功能实现对飞行姿态的精准仿真本设计逻辑层次分明，投入成本低廉，同时具有人机交互性强、实时性好等优点。

关键词：LabVIEW;单片机;数据处理

为了读取飞行过程中的位姿数据，笔者结合单片机开发板，运用六轴陀螺仪模块和VISA串口等相关知识，进行对飞行姿态数据的实时采集与显示，并在LabVIEW2018软件上搭建信息采集的前面板与子程序，成功实现了对飞行姿态的读取与仿真，经过测试，仿真效果与实际符合良好，可满足基本的飞行控制要求。

1软硬件的设计思路

1.1 位姿数据采集模块设计

利用MPU6050实现对飞行器俯仰角、航向角、翻滚角以及各个方向上角加速度的测量。陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000°/秒（dps），加速度计可测范围为±2，±4，±8。可根据不同需求设定不同的精度。和其他设备寄存器之间的通信采用400kHz的I2C接口或1MHz的SPI接口（SPI仅MPU-6000可用）。对于需要高速传输的应用，对寄存器的读取和中断可用20MHz的SPI。另外，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器。

1.2软硬件通信设计

LabVIEW是由美国NI公司推出的一种图形化的编程语言和开发环境，它广泛的被工业界，学术界和研究实验室所接受，被公认为标准的数据采集和仪器控制软件，相较于C++或汇编语言而言由于其图形化编程方式具有简单易学，直观方便，功能强大等特点。

运用STM32F103芯片构成的单片机对MPU6050進行数据通信，将收集到的数据通过串口通信与PC建立连接。单片机和PC的通信，是通过单片机串口和PC串口之间的硬件连接实现的。在本设计中，上、下位机分工明确，作为下位机核心器件的单片机负责数据的采集和通信，而上位机主要负责将单片机传递过来的数据进行分析以及处理，在本设计中表现为对飞行姿态的仿真。为便于数据分析以及处理，还需要数据库的支持，这种应用的核心是数据通信，其包括单片机和上位机之间、客户端和服务器之间，以及客户端和客户端之间的通信，而单片机和上位机之间的数据通信则是整个系统的基础。

单片机与PC之间的通信主要采取并行通信，其优点为传输速度快，误差不累计、信号之间不会互相影响以及可根据需求设定信号传输频率，具有较高的自由度，为PC端读取提供了便利。

本设计的硬件连接采用3线制为了方便信号的验证，我在本设计中添加了TFTLCD显示屏，以便于和上传到PC端的数据进行误差检验。

在保证单片机能够顺利通信之后，才能实现数据的实时采集和存储。

2.1 LabVIEW前面板设计

该设计需要有飞行姿态数据、飞行状态的3D仿真，并能够根据飞行姿态的数据不断展示飞行状态，采集频率的快慢能够更改，储存的位置与形式可以选择，并使串口通信所发送的数据参数与单片机开发版（主要包括波特率、奇偶校验位、数据位数等）保持一致。运用labview前面板的功能对这些功能进行布局，设计其主界面。

其具有的功能显示信号的传输形式并能对格式进行更改来确保与单片机发送过来的信号形式一致，飞行位姿的数据、以及3D显示窗口等，并可向单片机发送目标飞行姿态，配合电机可实现对飞行状态的控制。

运行labview之前，将单片机的串口参数设置正确，并选择信号的格式。点击开始按键，单片机就发送收集来的飞行姿态数据，PC端根据设定的波特率结合角度变化量算出角加速度，以上过程处理完毕后，LabVIEW界面上可以看到无人机的飞行姿态。

2.2 LabVIEW子程序设计

建立主界面显示，需要建立连接单片机与仿真图形的框架，为此通过对LabVIEW相关VISA功能的引用使之能够接受串口发送来的数据，通过VISA打开功能使串口打开，之后用VISA配置串口对串口的波特率，奇偶校验位，位数等参数进行设置，为接收数据做好准备，通过VISA读取对串口发送来的数据进行接收，具体程序框图如图1所示：

首先，串口传输设定一个固定的参数，通过串口传输到labview前面板上显示。程序开始运行后，如果满足通讯协议，就进入数据的读取阶段，执行接下来的数据处理。之后进入while循环，在循序结构图中，不断接收单片机发送来的数据，并将发送来的数据作为全局变量。为接下来的数据分析以及仿真做准备。全局变量提取完毕后进入仿真阶段，在仿真阶段中可以对单片机发送来的数据进行由字符串到数字的转化，根据处理好的数据进行仿真，通过绘制3D图形并根据位姿数据便可绘制出飞行器的飞行姿态。后面板设计如图2所示。

3 结语

文章所阐述的飞行姿态仿真设计充分利用VISA相关功能对数据进行读取，方法简单而且通用性强，对无人机飞控的门槛降低了一个层次，诚然，本设计在精准度方面无法实现高精度测量，但是功能齐全，是一种在低成本下研究飞控的方法。

参考文献：

[1]袁媛.基于LabVIEW的虚拟仪器技术研究与应用[J].农业网信息，2005，（04）.

[2]吴成东，等.LabVIEW虚拟仪器程序设计及应用[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[3]丰伟伟，等.LabVIEW中TDMS文件和SQL数据库数据处理速度的研究[J].仪器仪表与分析检测，2011，（01）：10-12.

[4]章佳荣，等.精通LabVIEW虚拟仪器程序设计与案例实现[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[5]NationalInstrumentsCorporation，LabVIEWReportGenerationVIsHelp，2004，12（10）：45-48.