四旋翼飞行器嵌入式陀螺仪数据采集设计
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电子技术・Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
四旋翼飞行器嵌入式陀螺仪数据采集设计
本文以创新开发套件的小 型四旋翼飞行器为实际对象，通 过对陀螺传感器Ｌ３Ｇ４２ ００Ｄ采集 原始数据以及整合三轴加速度计 ＬＩＳ３ＤＨ的一段经过测试的配置信 息，用于配合运行控制算法和处 理从惯性导航系统传输过来的姿 态信息。通过多次调试控制算法， 进行多次飞行试验，该芯片配置 数据可以有效满足稳定飞行数据 采集的功能。
【关键词】四旋翼飞行器ＳＴＭ３２Ｆ１０３陀螺传
感器Ｌ３Ｇ４２００Ｄ加速度计ＬＩＳ３ＤＨ
１引言
四旋翼飞行器是一种能够实现垂直的起
降，并在空中可以随时通过调整飞行姿态来改 变飞行方位的飞行器。四旋翼飞行器利用旋翼
转向在前后与左右的反相，来抵消反扭力矩，
从而保持机体的平衡。在现实应用中，由于小
型多旋翼飞行器具有其它飞行器所无法比拟的 优势，因此其在现代社会诸多领域得到广泛应
用，包括摄影航拍、电网线路巡检、环境保护
监测、农林施肥作业等。
目前四旋翼飞行器主要分为遥控器进行 的遥控型和自主控制的自主飞控型两种。针对
四旋翼飞行器控制技术的主要集中在两大热点
研究领域：一个是基于惯性导航的自主控制系
统，另外一个是基于视觉飞行的自主控制系统。
２嵌入式陀螺仪数据采集的实现
为了实现四旋翼飞行器在空中自主、持
续飞行，同时可以保证飞行过程中的姿态稳
定和平稳飞行。本文采用一套自主开发基于
ＳＴＭ３２Ｆ１０３主控的飞行控制系统对陀螺传感
器Ｌ３Ｇ４２００Ｄ采集原始数据部分进行设计，整 套控制系统主要分为姿态控制系统、加速度控
制系统和高度控制系统，控制系统均搭载在硬 文／陈新锐
件平台上。
２．１飞控硬件平台总体设计 －＝－
图１：Ｌ３Ｇ４２ ＯＯＤ硬件电路图
四旋翼飞行器的硬件平台主要分为两大
部分，第～部分是惯导平台的电路设计，它是
采集飞行器机体的运动状态信息的作为控制系
统控制的重要的信息依据。惯导平台的反馈精 度直接影响到控制系统的控制精度。第二部分
是主控芯片的电路设计。惯导平台本文选取陀
螺传感器Ｌ３Ｇ４２００Ｄ，它是一种低功率的三轴
陀螺传感器，采用专门微细加工工艺制造，通
过ＩＣ接口技术构成一个ＣＭ０Ｓ型的专门电路 并留有数字接口（Ｉ２Ｃ／ＳＰＩ），可以更好地跟传感
器元件匹配。陀螺传感Ｌ３Ｇ４２００Ｄ器硬件电路
图如图１所示。硬件电路设计的重点在于芯片
的输入电压及ＳＰＩ总线的供电电压均为３．３Ｖ
和陀螺传感器与姿态处理芯片的ＳＰＩ通信。加 速度计选取的是ＬＩＳ３ＤＨ，是一款低功率的三
轴加速度计。主控芯片和姿态处理芯片采用的
是ＳＴＭ３２Ｆ１０３，进行飞行控制和姿态信息的处
理。姿态控制系统采用基于神经网络的ＰＩＤ控
制飞行器的姿态角，整个系统采用改进型负反 馈结构。
２．２飞行器系统的软件设计 本文的四旋翼飞行器的软件系统主要完
成飞控主板和ＰＣ端无线遥控部分的程序设计，
软件程序是在集成编译环境Ｋｅｉｌ ＭＤＫ．ＡＲＭ
下由ｃ语言编程实现。飞控主板程序设计流
程图如图２所示，主要操作包括首先开机对无
线模块、Ｌ３Ｇ４２ＯＯＤ、ＬＩＳ３ＤＨ以及ＰＷＭ电 机等进行初始化，再对整个系统的惯性测量单
元ＩＭＵ进行零偏调整，然后设置无线接收模
块等待对解锁输入信息的判断，最后如果解锁
成功，则对ＩＭＵ读取出来的简单的加速度、
陀螺仪角速度的原始数据作处理得到本系统想 要得到姿态角度，从而进行ＰＩＤ电机控制，并
通过飞控板上ＡＤＣ实时获取板上供电电压参
数以便于自动返航情况处理。其中Ｌ３Ｇ４２００Ｄ
初始化及数据采集操作主要有；寄存器配置、
数据输出速率配置、工作模式设置、三维坐标 轴采集参数设置、高通滤波器使能启动和数据
量程设定等。
飞控程序中使用定时器中断的方式对时 间进行处理，每０．５ｍｓ中断一次，通过对中断
标志位的查询结合不同时间的间隔来分别处理
优先级不同的任务，每次中断后立即检查无线
模块的接收数据，确保飞控主板控制信息的
实时性。每２次中断即ｌｍｓ获取一次ＩＭＵ单
＜＜下转１ １５页
・基金项目：广西区级教改《基于校企合作的单片机应用开发课程集成及实训平台建设》项目编号ＧＸＧＺＪＧ２０１６Ｂ０１６，广西区中青年教师素质提升 科研项目Ⅸ基于多协议无线传输平台的指纹识别签到系统设计与实现》
１１４・电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉ
ｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・电子技术
基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ的锁定放大器仿真及实验设计
锁定放大器在现实生产中是 一种有效实现在噪声中检测微弱 信号的装置。文中研究了锁定放 大器各重要组成部分的工作原理， 采用Ｍｕｌｔｉ ｓｉｍ仿真软件对锁定放 大器各组成部分进行了仿真，研 究了锁定放大器中各重要组成部 分的关键参数应如何设置。最后 通过仿真中得到了最佳参数并进 行电路设计，通过试验表明锁定 放大器具有良好的性能。
键词】锁定放大器Ｍｕｌｔｉ ｓｉｍ仿真参数
微弱信号
目前检测微小直流信号或者慢变信号有
方法，但是采用锁定放大法，利用待测信 参考信号的互相关检测原理实现对信号的
化处理，有效地抑制噪声，避免了直流放
和调制放大法中存在的问题。 文／黄铮 袁媛 王红伟
文中通过Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真软件对锁定放大 器各组成部分进行仿真，研究了如何设置锁定
放大器中相关元件的关键参数。
１锁定放大器原理
锁定放大器一般由信号通道、参考通道
和相关器三部分组成。
１．１相关器
相关器是锁定放大器的核心部件， 由一
个乘法器和低通滤波器组成。 令乘法器的输入信号分别为被测调制信
号ｘ（ｃ），参考信号ｒ（ｔ），则乘法器的输出信号
ｕｐ（ｔ）为：“ｐ ｏ．ｓＫｇ ｃｏｓ０＋０・ｓｖ，ｖ，ｃｏｓ（２ｏＪｏ＋ ）。
１．２低通滤波器
二阶压控电压源低通滤波电路由２个ＲＣ 环节和同相比例放大电路构成。
时间常数Ｔ＝ＲＣ，Ｔ越大，等效噪声带宽 越窄，抑制噪声的能力越强：但Ｔ过大时，信
号中较高频率分量也被抑制而产生失真。故Ｔ 局限于某个范围内。
考虑放大器的噪声匹配。一般情况下， 取ｆＲ＝ｌｋＨｚ。
２锁定放大器Ｍｕｌｔｉ Ｓｉｍ仿真
利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真锁定放大器，可以更
好的了解各个参数对锁定放大器的性能的影
响。
２．１前置放大电路的仿真
当Ｒ１＝Ｒ２，Ｒ３＝ＩＬ，Ｒ５＝ 时，
输入频率１Ｋｚ，Ｒｌ＝Ｒ２＝Ｒ３＝ ＝１０ＫＱ，
Ｒｓ＝Ｒ６＝１６０Ｋ￣，可以通过Ｒ，的值的调节来确 定增益比，通过公式７当ＲＴ＝２Ｋ￣Ｑ时增益比为．
Ｇ：生ｆ１＋ ）：１７５ 足、 岛 当Ｃ。＝Ｃ：＝Ｃ时， 品质因数Ｑ＝２，
上接１ １４页
Ｉ原始数据并作滤波处理获得较为准确的
ｉ加速度、角速度的当前数据。每４次中
Ｉ ２ｍｓ测量并计算当前飞控主板的运动姿 与ＰＣ机遥控端的目标姿态一起求取差值
【过ＰＩＤ控制算法对各个电机进行ＰＷＭ调
制。每２００次中断即１００ｍｓ，飞控系统由
Ｉ３２Ｆ１０３的ＡＤＣ通道采集一次主板供电
，并把供电电压实时参数返送给ＰＣ端。
无线遥控部分的程序功能就是把遥控端
｝作动作转化成信号传给飞控主板，并且实
：示ＰＣ端当前所执行的控制信息和飞控主 送的飞行姿态及供电电压参数等信息。
系统运作过程
使用ＰＣ机发送控制指令，发送到机体的
板ＳＴＭ３２ ＣＯＮＴＲ０Ｌ上。飞控板通过
：姿态处理板的运动状态信息和ＰＣ机的控 ｝令进行控制算法的处理，得出控制要求的
波。ＰＷＭ波经过电调的处理产生出占
：符合ＰＷＭ波的电压信号输入四个电机。 根据电压的变化。电机的转速变化引起机体的 姿态信息的变化。陀螺仪和加速度计组成的捷
联式惯性导航系统，用计算机把测量信号变换 为导航参数，测量机体的姿态信息，陀螺仪测
出机体的姿态角速度，加速度计测出机体的线
加速度。陀螺仪使用ＳＰＩ总线传输到姿态处理
芯片进行姿态信总的处理得出飞行器的姿态角 度和角速度和线加速度传输到ＳＴＭ３２Ｆ１０３中。
３结果分析
本文的系统可以较好的实现四旋翼飞行
器嵌入式陀螺仪数据采集，从ＩＭＵ获取并作 滤波算法处理后的Ｌ３Ｇ４２００Ｄ、ＬＩＳ３ＤＨ数据
准确有效，并完成了四旋翼飞行器飞行姿态的
稳定控制以及自动循迹返航。这就为接下来六
旋翼或八旋翼等多旋翼飞行器的稳定控制研究 奠定了理论和实践基础。
参考文献
［１】Ｓｃｏｔｔ Ｄ．Ｈａｎｆｏｒｄ．Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｉ ｒｃｒａｆｔ ＳＹ ｓｔ ｏｍ ＲｏａｄｍａＰ．２ ０ ０ ５—２ ０ ３ ０．０ｆｆｉ ｃｅ
０ｆ ｔｈｅ ＳｅＣ ｒｅｔａｒＹ ０ｆＤｅｆｅｎ ｓ ｅ（ＵＳＡ）
Ｒｅｐｒｏｒｔ．ｈｕｇｕｓｔ．２００５：１—５． ［２】张春慧．高精度捷联式惯性导航系统算
法研究［硕士学位论文】．哈尔滨工程大
学，２００５：２ ３—２７． ［３】吴军，鲍其莲，高精度捷联惯导姿态
更新优化算法研究［Ｊ】．电子测量技
术，２０１０，１５（１ ３）：７６—８０．
作者简介 陈新锐（１９８２－），男，广西壮族自治区北海市
人。硕士研究生学历。现为北海职业学院讲师。
主要研究方向为数字信号处理及嵌入式应用开
发。
作者单位 北海职业学院 广西壮族自治区北海市
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