作者：洪涛¹, 梁晓瑜¹, 马榕¹, 胡斌²

作者单位：1. 中国计量大学计量测试工程学院, 浙江 杭州 310018;
2. 中国特种设备检测研究院, 北京 100029

关键词：无人机;运动处理组件;姿态解算;无线传输;LabVIEW

摘要：

四轴无人机在空中受人为或环境中不定因素的影响，姿态发生变化。操作员如不能正确判断，在遥控上产生的失误会造成无人机损坏甚至人员伤害。针对这类问题，设计一套基于STM32的四轴无人机姿态测量和三维模型显示系统。系统以ARM Cortex-M3核的STM32为主控制器，读取运动处理器件MPU6050和磁力计HMC5883L组合成9轴传感器的输出并通过四元数姿态解算得到无人机的姿态角，经过CC1101芯片将姿态角数据发送给地面接收端。LabVIEW通过串口接收数据并完成对数据的分析与处理，实现四轴无人机三维图像实时显示。结果表明，姿态解算稳定可靠，系统结构简单，成本低，可移植性强，具有一定的实用性。

Design of attitude measurement and three-dimensional model display system of four-axis UAV
HONG Tao¹, LIANG Xiaoyu¹, MA Rong¹, HU Bin²
1. School of Measurement and Testing Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;
2. China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China
Abstract: The attitude of a four-axis UAV changes in the air by human factors or uncertain factors in the environment. If the operator can't judge correctly, the mistakes made on the remote control will cause damage to the UAV and even injury to person. Aiming at this kind of problem, a set of attitude measurement and three-dimensional model display system of four-axis UAV based on STM32 was designed. The system used the STM32 of the ARM Cortex-M3 core as the main controller, read the output of the 9-axis sensor which combined with motion processing device MPU6050 and the magnetometer HMC5883L, and obtained the attitude angle of the UAV through the quaternion algorithm. The CC1101 chip sent the attitude angle data to the ground receiving end. LabVIEW received data through the serial port and completed the analysis and processing of the data, and realized the real-time display of the three-dimensional image of the four-axis UAV. The results show that the attitude calculation is stable and reliable. The system has simple structure, low cost, strong portability and certain practicability.
Keywords: UAV;motion processing components;attitude calculation;wireless transmission;LabVIEW
2020, 46(4):109-115  收稿日期: 2019-05-14;收到修改稿日期: 2019-06-14
基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFF0210700)
作者简介: 洪涛(1995-),男,浙江天台县人,硕士研究生,专业方向为智能仪表、自动化装置和新型传感技术
参考文献
[1] 李博, 李小民, 杨森. 美国四旋翼无人机研究现状与关键技术[J]. 飞航导弹, 2018, 48(2):25-30
[2] 高俊杰. 无人机安全飞行风险评估研究[D]. 广汉:中国民用航空飞行学院, 2018.
[3] 酷飞多轴联盟. 第一次玩无人机全攻略[M]. 北京:北京科学技术出版社, 2017:156-168.
[4] 雷珂. 基于低空管理系统的四旋翼无人机姿态监视研究[D]. 烟台:烟台大学, 2018.
[5] 张云洲, 胡禹超, 吴成东, 等. 三维姿态实时显示的小型无人机飞控仿真系统[J]. 实验室研究与探索, 2015, 34(1):73-78
[6] ZHENG X, WANG G C, YANG H, et al. Design and implementation of uav 3d visual simulation training system[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 2491(336):1361-1365
[7] WU Y, WU M S, ZHANG J D, et al. Designing and realizing of uav simulation system[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 2240(284):3401-3404
[8] 陶武梁. 无人机地面站及飞行数据可视化研究[D]. 南昌:南昌航空大学, 2017.
[9] 杨才广, 姚志兴, 谭永镇, 等. 基于STM32的无人机飞行控制系统[J]. 电子世界, 2019, 41(1):130-131
[10] 周金金, 林志, 王小英. 基于ARM11的海洋浮标云台稳定控制系统[J]. 中国测试, 2016, 42(1):74-78
[11] 徐鹏杰, 张凤生, 刘延杰, 等. 基于MPU6050的人体倾角姿态数据检测系统设计[J]. 国外电子测量技术, 2018, 37(3):117-120
[12] 魏访, 郑朝霞. 基于无线传感器网络的工业环境温湿度监测系统[J]. 仪表技术与传感器, 2018, 55(5):55-57
[13] 陈国定, 周鹏豪, 胡朕豪, 等. 基于MPU6050的四轴硬件姿态解算研究[J]. 机电工程, 2018, 35(1):95-100
[14] SCHIRRER A, WESTERMAYER C, HEMEDI M, et al. LQ-based design of the inner loop lateral control for a large flexible BWB-type aircraft[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Control Applications, 2010, 19(213):1850-1855.
[15] 冯新宇, 范红刚, 辛亮. 四旋翼无人机飞行器设计[M]. 北京:清华大学出版社, 2017:17-19.
[16] 张蕾. 移动救援机器人远程监测系统的研究与设计[D]. 西安:长安大学, 2014.