基于MSP430单片机的四旋翼飞行器控制系统设计

汤金萍，周雷，金阿锁

(南通大学 电气工程学院， 江苏 南通 226019)

四旋翼飞行器是由4个带桨叶电机驱动并形成十字交叉结构的一种飞行器。本试验是以MSP430F149单片机为主控芯片，搭建四旋翼飞行器控制系统。以MPU-6050传感器获取飞行器的姿态信息，经过递推滤波算法，得到可靠的姿态数据，通过四元数融合算法，进行姿态解算，获得四旋翼飞行器的姿态角，然后借助PID控制算法，消除四旋翼飞行器在飞行过程中不可预测的误差，最后，以PWM波的形式控制无刷直流电机，实现四旋翼飞行器的自平稳控制。本试验完成了四旋翼飞行器的自平稳控制系统，能够基本实现四旋翼飞行器的平稳起飞与降落。

MSP430；MPU-6050；欧拉角；四旋翼飞行器；闭环控制

四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最常见、最简单的一种。2010年世界首款四旋翼飞行器AR.Drone问世，它由法国Parrot公司发布。它的定位是一款高科技玩具，性能非常优秀，轻便，很安全，容易控制，而且还能实现自悬停，拍摄图像，并通过WiFi传输到手机上显示。

DJI是众多四旋翼飞行器公司中值得一提的公司之一。在早些年，DJI主要工作放在直升机的控制上，在AR.Drone问世后，DJI看到了四旋翼飞行器的市场，开始研究四旋翼飞行器产品。2012年，DJI相继推出了几款飞行器产品。在当时AR.Drone的引领下，全球刮起了一股四旋翼飞行器商业化的热潮。

2013年1月，DJI推出Phantom，如图1所示。四旋翼飞行器被开发用作一个新领域——航拍。“Phantom”的中文意思是精灵，与它的外形很相配。随着Phantom的推出，四旋翼飞行器的市场也开始发生变化。Phantom很容易操作，没有操控经验的新手也可很快学会操作。与AR.Drone相比，Phantom的尺寸更大一些，在户外飞行时，抗风干扰的能力更强，Phantom还有GPS导航功能，可以飞行的范围很大。Phantom最大的特点，就是可搭载摄像机。Phantom可通过连接架挂载GoPro运动相机，拍摄极限运动。Phantom可以从不一样的视角拍摄，而且，与传统的飞机航拍不同，它小巧、灵活，可以让拍摄者自由控制角度。Phantom+GoPro拍摄模式的出现，让四旋翼飞行器更有生机。说多旋翼飞行器重新定义了航拍，一点都不为过。

从现在的四旋翼飞行器市场来看，一部分是以AR.Drone为代表的玩具市场，另一部分就是以DJI Phantom、DJI S1000为代表的航拍飞行器市场［1］。著名的快递公司顺丰就进行了多旋翼飞行器送快递的实验。在一些人类活动困难的地点，如火山口、沼泽地等，将多旋翼飞行器用于地质勘测的情况也越来越多。军事方面，多旋翼飞行器可以用于无人机侦察等。另外，多旋翼飞行器还可以用作森林防火监控、高速公路车辆监控、公共领域现场监控等。

四旋翼飞行器是由4个带桨叶电机驱动并形成十字交叉结构的一种飞行器，本试验的四旋翼飞行器采用十字飞行方式，电机1为正前方，由此确定前后、左右。4个电机分别安装在十字结构的4个顶点，由此形成的四个旋翼结构相同，两两对称［2］。飞行控制器和电池被安装在中间交叉点位置。四旋翼飞行器的结构形式如图2所示。

1.2运动姿态分析

四旋翼飞行器由四个旋翼共同提供升力，通过改变4个电机转速，调节4个旋翼的升力，由此控制飞行器的姿态和飞行方向。四旋翼飞行器一共有6个自由度，4个力输入，6个状态输出，因此它是一个欠驱动系统［3］。

四旋翼飞行器常见的飞行方式有2种［4］:X飞行方式与十字飞行方式，其中两个电机正转，两个电机反转，以抵消自旋转力。本试验采用的是十字飞行方式，电机2、4顺时针旋转，电机1、3逆时针旋转。

规定电机1的方向即为正前方向，也是x轴方向；电机2为左方向，即y轴方向；电机3为右方向；电机4为后方向；z轴方向与x、y垂直向上。四旋翼飞行器的运动姿态可分为6种：垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、倾向运动，如图3所示。

2硬件系统设计

2.1硬件框架

四旋翼飞行器硬件结构如图4所示，以MSP430F149单片机为主控芯片，作为飞控板，采用MPU-6050获取飞行器姿态数据，并通过PWM波控制电子调速器，调节电机转速。用Nokia5110显示屏显示飞行器内部数据，便于调试。

2.2电源

对于四旋翼飞行器，电源的质量会很大程度地影响它的飞行。本试验所使用的是新西达2212 KV2200电机，搭配5043号桨叶，当单电机满载运行时，实测电流可达到21.1 A。所以当飞行器满载运行时，总电流将达到80 A以上。同时，考虑到四旋翼飞行器的搭载能力，电源的质量非常重要。本试验选用狮子 3S11.1V2 200 mAh 电池搭配电子调速器作为电源。

2.3角度传感器模块

MPU-6050是全球首例整合性6轴运动处理传感器，由InvenSense公司推出。MPU6050整合了3轴加速度传感器和3轴角速度传感器，其检测轴与方向如图5所示。

3轴加速度传感器的精度可编程选择，范围为：±2 g、±4 g、±8 g和±16 g［5］。

3轴角速度传感器精度范围：±250、±500、±1 000°/s与±2 000°/s。

2.4电机与电子调速模块

2.4.1选用电子调速器控制无刷直流电机

选用电机与电子调速器控制无刷直流电机。可用在四旋翼飞行器上的直流电机有无刷电机和有刷电机两种。无刷电机在运行时不会产生火花，减小了对遥控器无线信号的干扰，同时相对于有刷电机更安静、运行更顺畅，且结构可靠，基本不需要维护。所以电子调速器控制无刷电机更适合用作四旋翼飞行器。

2.4.2新西达2212KV2200电机

新西达2212KV2200电机的内部共7对极，12个绕组。

新西达2212KV2200电机的6种通电情况下，电机是外转子结构，即内部有线圈的部分为定子，有7对极的外壳为转子。

2.5飞控（MSP430F149）

MSP430是TI公司生产的低功耗系列单片机。采用16位精简指令结构（RSIC）［6］，其特点是：超低功耗；处理能力强；丰富的片内外设；系统工作稳定；开发环境简单、方便。

3软件与控制算法

飞控程序是实现四旋翼飞行器控制系统的关键。由定时器A产生20 ms中断，每次中断发生，MSP430F149通过I2C采集一次MPU-6050的数据，获取原始姿态数据，经过递推滤波、四元数融合算法，得到姿态角，再根据需要的飞行姿态，并通过PID算法，计算得到电机的控制量，最后经过PWM的方式控制电机转速［7］。在下一次中断发生时，飞行器的姿态信息通过MPU-6050更新到单片机，以此循环，从而实现了四旋翼飞行器的自平稳控制系统。

程序流程如图6所示。

4系统测试及实现成果

4.1姿态解算测试

在姿态解算测试时，使用Nokia5110显示屏，通过更改程序，可分别显示传感器原始数据、递推滤波后数据、四元数算法融合后数据、PWM波占空比数据。这样可以让用户直观方便地了解到数据处理结果，便于发现问题并进行调试，如图7所示。

实验结果表明：在小幅度摆动飞行器时，屏幕显示的姿态角信息（姿态角）无误。

4.2PID参数测试

PID控制的一个优点就是可以消除不可预测的误差，而PID参数是一组经验参数，需要根据实际的控制系统测试，选择合适的PID参数。对于四旋翼飞行器，PID调试方法如下：

(1)四旋翼飞行器采用十字飞行方式，俯仰角由电机1、3控制，滚转角由电机2、4控制。

(2)在调节俯仰时，先设置I、D为0（这里以P、I、D分别代表比例参数、积分参数、微分参数），只改变P的量，由小到大依次变化。当系统出现临界振荡，或收敛振荡时，此时的P值就是所需要的数据。

(3)比例环节是PID调节中最难调节的一个，只要确定了P值，积分和微分环节就比较容易实现。

(4)微分系数D也是影响系统调节的一个重要参数。微分环节的作用就是减缓误差的变换速度。在四旋翼飞行器中，就是让旋翼的摆动速度不能过快。在步骤（2）中，四旋翼飞行器已经出现等幅振荡，在等幅振荡的过程中，两个极值处的振荡速度最慢，在中间理想位置处，振荡速度最快。加入了微分环节D之后，在振荡速度最快的中间理想位置，微分环节作用最大，从而抑制了系统的过调，只要选择合适的D值，四旋翼飞行器就会快速、准确地调节到理想位置，而且不会出现过调。

PID参数的设定受到系统实际情况的影响，在不同的四旋翼飞行器之间也有所不同，所以PID参数需要实际的测试才能够确定。PID参数的测试结果如表1和表2所示。

5结论

本试验对四旋翼飞行器的结构进行了分析，完成了四旋翼飞行器的自平稳控制系统，能够基本实现四旋翼飞行器的平稳起飞与降落。本文介绍四旋翼飞行器的发展现状和发展历程，列举了四旋翼飞行器研究的部分技术难点，对四旋翼飞行器的飞行姿态进行了分析，并介绍了四旋翼飞行器软、硬件的实现。

参考文献

［1］ DAS A, SUBBARAO K, LEWIS F. Dynamic inversion with zerodynamics stabilization for quadrotor control［J］. IET Control Theory and Applications, 2009, 3(3): 303-314.

［2］ MIAN A A,Wang Daobo. Modeling and back stepping based nonlinear control strategy for a 6 DOF quadrotor helicopter［J］. Chinese Journal of Aeronautics,2008(21):261-268.

［3］ 侯永锋,陆连山,高尚德,等. 基于PD算法的四旋翼飞行器控制系统研究［J］. 机械科学与技术, 2012,31(3):359-362.

［4］ 王璐. 欠驱动四旋翼无人飞行器的滑模控制［J］. 哈尔滨工程大学学报, 2012,33(10):1-6.

［5］ 陈卫,杨忠,夏玉亮,等. MEMS加速度传感器在微型特种机器人中的应用［J］. 传感器与微系统, 2009,28（7）:110-113.

［6］ 杨平,王威. MSP430系列超低功耗单片机及应用［J］. 国外电子测量技术,2008，27（12）:48-50.

［7］ 黎泉,苏家强,李晓冉. 直流电机同步控制系统设计［J］. 河池学院学报, 2010，30（5）:46-51.

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MSP430系列与51单片机的特点与区别

MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16 位超低功耗的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。MSP430是16位单片机，51是8位单片机，MSP430采用RISC精简指令集，单个时钟周期就可以执行一条指令，相同晶振，速度较51快12倍。其它片上资源也是MSP较丰富。

有很多应用领域，比如智能仪器或仪表、自动化控制设备、家用电器等，其对于运算及控制功能的要求不高，用简单的控制软件便可达到令人满意的控制效果，但是针对一些对于体积、成本及能耗有着严格要求的应用领域，一般的控制软件很难达到相应的控制要求。为满足这些应用领域的要求，经研究便产生了单片机。单片机是一种集成式电路芯片，其主要是利用具有超大规模的集成电路技术以将具有对数据进行处理能力的中央处理器CPU、RAM、ROM、I/O、中断系统及定时器等各种功能集中于一块微小的硅片上，从而得以形成一个具有完整性的微型计算机系统。

msp430系列单片机是一种新型的16位单片机，主要特点就是功耗小，速度快，主要开发语言是c。开发环境有iar集成开发环境。 msp430单片机有不同系列，有f系列，c系列。比如f系列msp40f135表示的是rom是flash型的。常用的是f系列的13系列14系列。13系列的有msp430f133和msp430f135两种。14系列的有msp430f149等。 c51单片机现在很少用了，都被s52单片机代替了。

msp430和51的区别

最主要的区别是他们的内核完全不一样。

MSP430内核采用RISC精简指令结构，整个代码量较少，按照复杂程度指令在几十个到百多不等，代码的执行效率高，其操作许多是针对寄存器的读写完成对功能模块的设置和运行的。

51属于经典的CISC复杂指令结构，代码比较多，并且随着性能增加，补充指令也在增加，早先的百多到现在可能已超过2百以上了，代码执行效率不如RISC结构的。

由于上述的基本结构特点造成RISC结构的在相同系统频率上，RISC结构的比CISC结构的效率高和运行速度快。

MSP430采用RISC精简指令集，单个时钟周期就可以执行一条指令，相同晶振，速度较51快12倍。

其它片上资源也是MSP较丰富。

总体而言，MSP430功能强大，速度快，相比51而言，这些是明显的优势。

但是，MSP430作为混合信号处理器，针对许多具体应用，许多功能未必有用，如果速度要求也不是很高，51同样可以胜任的话，就可以体现出51成本低，开发资源丰富，位寻址便捷等优点。

MSP430单片机与51单片机的开发环境都是C开发环境，只是根据其外部配置及内部软件的使用而设置了相应的C开发环境。MSP430单片机与51单片机的区别主要体现在以下几方面：

第一，两种单片机的位数不同。MSP430单片机的位数为16位，而51单片机的位数为8位。

第二，两种单片机的优势存在很大区别。针对51单片机，其最主要的优势就是在整个系统的内部，包括硬件及软件其都具有一套完整的按位操作系统，被称为“位处理器”或是“布尔处理器”。51单片机的位处理器所处理的不是普通的字或是字节而是位，其不但可处理片内的一些具有特殊功能的寄存器的位，比如传送、清零、测试等，而且还可对位进行逻辑运算，具有相当完备的功能，方便了用户的使用。

然而针对MSP430单片机，其优势不仅仅是超低功耗，而且还有运行速度快、处理能力强、片内资源丰富等其他优势。

以89C51系列单片机为例，其属8位单片机，所采取的指令主要是“CISC”，这是一种非常复杂的指令集，其总共有111条指令。

然而MSP430单片机是一种16位单片机，其所遵循的是“精简、透明”的原则，所采取的指令是精简指令集结构，其总共的指令只有27条，非常简洁，而其余大部分指令都是模拟指令，也称仿真指令。在进行计算时，大部分寄存器和位于片内的数据存储器都可参与，并可进行多样化的计算。

这些内核指令是一种具有单周期性的指令，这些内核指令的应用不仅使得MSP430具有强大的功能，而且还可提高运行速度。此外，89C51系列单片机的电源电压为5V，而实现低功耗的方式主要有待机及掉电。

通常情况下，89C51系列单片机的电流消耗量是24mA;而若处掉电状态，其耗电电流则变为3mA;在掉电状态下，89C51系列单片机的电源电压还可压低至2V，但其还需要提供50uA左右的电流以使内部RAM中的数据得以保存。然而MSP430单片机在低功耗这方面则具有更大的优势。

MSP430芯片可实现以下六种工作方式：

（1）活动方式（AM），即中央处理器CPU及外围模式已被激活而呈现活动状态;

（2）低功耗0（LPM0），即中央处理器CPU处停止活动状态，外围模式处工作状态，ACLK及SMCLC呈现有效状态，MCLK可对环路进行控制;

（3）低功耗方式1（LPM1），即中央处理器CPU处停止工作状态，外围模式处工作状态，ACLK及SMCLK呈现有效状态，而MCLK不能对环路进行控制;

（4）低功耗方式2（LPM2），即中央处理器CPU处停止工作状态，外围模式处工作状态，ACLK呈现有效状态，而SMCLK及MCLK均不能对环路进行控制;

（5）低功耗方式3（LPM3），即中央处理器CPU处停止工作状态，外围模式处工作状态，ACLK呈现有效状态，而SMCLK及MCLK均不能对环路进行控制，同时数字控制振荡器DCO的DC发生器处关闭状态;

（6）低功耗方式4（LPM4），即中央处理器CPU处停止工作状态，若系统提供了外部时期则外围模式处工作状态，ACLK处信号禁止状态且晶体振荡器处停止活动状态， SMCLK及MCLK均不能对环路进行控制，同时数字控制振荡器DCO的DC发生器处关闭状态。

第三，两种单片机的模拟功能相差较大。以89C51系列单片机为例，其内部总线为8位，故其大部分内部功能模块也都是8位的，即使经研究现已加了很多功能模块，但是由于其内部总线已固定为8位，受其结构的限制，因此很难增加更多的模拟功能部件。

然而MSP430系列单片机具16位基本结构，同时经转换，其内部的数据总线仍然保有8位总线;再者MSP430系列单片机的基本结构属混合型，是一种开放式的架构，因此对于MSP430系列单片机来说，不管是8位功能模块，还是16位功能模块，其都能实现。

除此之外，MSP430系列单片机还可实现模数转换及数模转换，这也是MSP430系列单片机之所以能够迅速、方便增加其功能部件的主要原因之一。

在对芯片进行选择的时候也要尽量保证最大化的芯片利用率，且要保证使用的便利性。因此，在实际的应用当中，对单片机进行选择时一定要仔细分析不同单片机的特点及优劣之处，结合自身的具体需求及条件，选择正确的单片机，以实现芯片利用率的最大化。

无论是MSP430单片机还是51单片机，其都有着其自身的独特特点，也都有着其各自的优势。通常来说，在实际的应用当中，单片机的选择通常取决于设计任务的复杂度，为保证单片机选择的正确性，就必须要对单片机的性能及特点进行充分的了解与熟悉，以及不同单片机之间的联系与不同之处。

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