隨著科學技術的進步和時代發展的需求，無人機無論在軍事還是民用領域都具有廣泛的應用前景。近年來，對無人機領域的研究已得到國內外各大研究機構的重視，特別是微小型多旋翼無人機的研究得到迅猛的發展。微小型多旋翼無人機可廣泛應用于軍事偵察、高空拍攝、交通監控及自然災害勘察等領域。因此，實現微小型多旋翼無人機的自主飛行具有重要的現實意義[1]。然而，實現無人機的自主飛行不可避免地要涉及到飛行器姿態、速度、位置這幾個大方面的控制運算，因此對于控制器的運算能力有很高的要求。

    現有的飛行控制系統一般采用ARM7、DSP等高速處理器作為控制芯片。對于這類單芯片飛控系統，一個控制周期內要完成數據采集、數據處理、控制運算及指令輸出，同時還需將數據輸出到監控系統，過重的負荷影響了系統的可靠性[2]。針對這一問題，本文設計了一種雙芯片飛行控制系統，采用2個STM32F107VCT6處理器同時分工協作的機制,完成對飛行控制的任務要求。該系統設計結構可靠，運算處理能力強，穩定性高。
1 系統硬件設計
1.1 系統功能劃分及硬件布局
    多旋翼無人機自主飛行控制系統較為復雜，一般需要設計3類控制器：位置控制器、速度控制器及姿態控制器。同時還有姿態角推算，導航數據融合等算法[3]。
    為了滿足以上控制和算法要求，機載部分的硬件布局就顯得尤為重要。若要得到很好的實時控制效果，控制頻率是一個重要的考慮因素。因此，為了完成高頻的控制運算，本文設計了一種雙芯片控制系統，2個處理器同時處理數據,協調工作, 達到自主飛行的目的[4]。協同任務的分配如表1所示。 其雙芯片系統結構如圖1所示。主控制器部分有IMU模塊、GPS模塊、遙控器無線接收機及XBEE無線傳輸模塊；從控制器有陀螺儀傳感器、三軸加速度傳感器、地磁傳感器、氣壓傳感器、PWM輸出模塊及SD卡數據存儲器[5]。

1.2 系統硬件選型
    (1)主從控制器：采用ST公司STM32F107VCT6型號的32位微處理器，時鐘頻率達到72 MHz，其豐富硬件接口資源及功能強大的DMA控制方式，充分保證無人機控制系統的穩定性與實時性。主從CPU之間采用高達18 MHz的SPI接口進行雙機通信[6]。針對實際應用， 對通信接口增加硬件握手，主機每次在傳輸數據前詢問從機狀態，如準備好，則開始發送數據。這樣可以避免主機發送數據時,而從機正處于中斷接收配置代碼區，無法接收數據，造成數據丟失，無法正確接收數據[7]。
    (2)模擬量傳感器：加速度傳感器(ADXL335)、陀螺儀傳感器(ADXRS610)。采用模擬量傳感器的優勢在于可以高頻率且精確地進行數據采集，滿足400 Hz姿態控制頻率的要求。
    (3)數字量傳感器:地磁計(MAG3110)、氣壓計(BMP0805)、GPS模塊。數字量傳感器使用相對簡單，且在控制位置和速度時的頻率相對較低，數字量傳感器可以滿足要求。
    (4)無線傳輸模塊：遙控器、遙控器接收機、XBEE無線傳輸模塊。
    (5)擴展模塊: IMU模塊。可以通過搭載高性能的IMU
模塊來驗證控制板上各種傳感器的性能及估算的姿態角的準確性[8]。
2 嵌入式系統軟件設計
    系統軟件的設計是基于IAR軟件平臺下開發，采用匯編語言和C語言混合編程實現。主要分為主控制器和從控制器兩部分的軟件設計?！?br/>2.1 主控制器軟件設計
    主控制器軟件流程圖如圖2所示。遙控器的數據接收、上位機的數據接收、GPS數據讀取、高度計和地磁計的數據讀取、主循環控制頻率等利用中斷程序完成。為了減輕CPU負載,對地面站的數據輸出采用DMA功能，無需CPU干預。

2.2 從控制器軟件設計
    從控制器需要完成400 Hz的控制運算，同樣需要分別配置STM32的USART接口、SPI接口及定時器中斷。采集頻率設定為2 000 Hz，并對采集到的數據進行巴特沃斯數字低通濾波。巴特沃斯數字濾波器相比其他數字濾波器而言，通帶內具有最大平坦幅度、阻帶頻率響應逐漸下降為零的特點。濾波器的性能指標如下：通帶截止頻率20 Hz,阻帶截止頻率100 Hz,阻帶最小衰減20 dB，通帶最大衰減3 dB[9]。對于SD卡的數據寫入同樣采用SPI的DMA功能,實現數據的快速寫入，節約CPU時間。
    從控制軟件流程圖如圖3所示，接收與發送主機數據、主循環頻率都利用中斷程序完成[5]。同時為了節約CPU對外圍設備的讀寫的時間，采用ADC的DMA功能實現對模擬量傳感器的數據讀取，并將數據采集和存儲交由DMA控制器。
3 實驗結果
    為驗證系統方案的可行性，將含有速度控制和姿態控制的飛行控制系統搭載四旋翼飛行器進行室外飛行實驗[10]，如圖4所示。

    圖5和圖6的實驗結果表明，控制器能夠很好地跟蹤速度目標值，實現飛行器按預定速度飛行。由此可知，整個系統具有良好的目標追蹤性及穩定性。

    本文提出了一種新型的采用雙芯片結構的多旋翼無人飛行器控制系統的設計方案。從硬件設計和軟件設計兩方面詳細介紹了設計與實現的過程，并在主機、從機上設計不同的控制器。實驗結果表明，該系統穩定性高，可以完成各種方式的數據傳輸，處理速度快，能夠有效地完成自主飛行所需各種運算要求，為實現該類無人機的自主飛行奠定了良好的基礎。
參考文獻
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[9] 王志，王文廉，張志杰. SPI 及 USB 雙通信接口的設計實現[J]. 自動化儀表，2010,36(1):72-75.
[10] WANG W，SUZUKI S，NONAMI K，et al. Fully autonomous quad-rotor MAV and flying performance with complete embedded system[C].Proceedings of the 9th International Conference on Motion and Vibration Control, Japan, 2008.