基于MPU6050模块的模型火箭分离系统设计

时间：2024-09-03

河北农业大学食品科技学院裴荣红王亚飞郑建乐

模型火箭自动分离返航是科研类全国航空航天模型锦标赛的重要比赛项目之一，其中自动分离是比赛的难点之一。为了使模型火箭能在准确的高度分离，论文以模型火箭为研究对象，提供一种基于MPU6050模块的模型火箭定高分离系统设计，该系统采用STM-32F103ZET6作为主控芯片MPU6050模块作为加速度传感器。经过试验测试该系统可以帮助模型火箭在准确位置开伞，达到设计要求。

引言：全国航空航天模型锦标赛有一项重要比赛称之为“嫦娥奔月”，该项比赛要求模型火箭能在正确高度上实现开伞操作。目前比赛的参赛选手大多采用机械装置或更改发射角度等方法来实现目标（白心爱,薛儒杰.基于STC89C51单片机的气压开伞设计[J].长治学院学报,2017,10）。不过这些方法精度较低且需多次实验收集数据，由此造成成本居高不下，同时这些方法受环境因素的影响比较大，比赛时容易失败。为了减少意外情况的出现提高模型火箭分离开伞装置的可靠性，本文提出一种新型的采用STM32F103ZET6作为主控芯片MPU6050模块作为加速度传感器的分离系统设计。该系统与采用超声波传感器、红外线传感器的系统相比，具有更高的可靠性与成功率。

1 系统功能设计

本分离系统是由单片机以及3轴加速度模块和舵机等组成。由于模型火箭载重有限，电源采用超轻锂电池伺服系统采用银燕9g舵机，重量轻的同时又能够提供足够的拉力与电力（邢博闻.加速度传感器在模型火箭定高分离中的应用[J].科技技创新导报,2016,06）。当经单片机运算识别出模型火箭达到准确高度后通过I/O模拟的PWM脉冲波控制舵机旋转使舵机轮旋转90度将箭体与返回舱之间的锁扣打开利用火箭安装时压缩的弹簧使返回舱与箭体分离。

2 系统硬件设计

模型火箭系统以意法半导体公司的STM32F103ZET6芯片为主控，结合MPU6050模块可对模型火箭飞行中的加速度进行实时采集并进行姿态运算，寻找最佳开伞位置。MPU-6050使用I2C串行通信至系统处理器接口。与系统处理器通信时，MPU-6050始终充当从属设备（康海,赵坤,刘书林.基于MPU6050模块的飞行姿态记录系统设计[J].电子设计工程,2015,5）。初始化MPU6050后采用定时器中断以一定频率读取相关寄存器的数值就可以得到16位的三轴加速度AD值、三轴角速度用于求解姿态。

MPU6050简介：MPU-6050当中含有三个独立的振动MEMS速率陀螺仪，可检测X轴，Y轴和Z轴的旋转角度。当围绕任何感应轴旋转时，科里奥利效应就会产生电容式传感器检测到的振动。所得到的信号被放大，解调和滤波产生与角速度成比例的电压。该电压使用单独的片内数字化16位模数转换器（ADC）对每个轴进行采样。

3 系统软件设计

中控系统软件流程如图1所示，初始化系统与各个模块，包括串口的初始化、定时中断初始化、MPU6050初始化等。初始化完成之后打开定时器中断以一定时间间隔读取传感器MPU6050中的16位的三轴加速度AD值、三轴角速度AD值。得到数据后经过姿态解算后判断是否达到正确位置，达到正确位置后即打开锁扣释放降落伞。

图1 中控系统软件流程图

姿态解算：Roll-pitch-yaw模型是表示飞行器当前飞行姿态的一个通用模型，就是建立如图2所示坐标系，并用Roll表示绕X轴的旋转，Pitch表示绕Y轴的旋转，Yaw表示绕Z轴的旋转。

图2 通用模型坐标系

由于MPU6050可以获取三个轴向上的加速度，由于地球重力是一个永久存在且恒定不变垂直向下的力，所以当我们求解姿态的时候可以以重力加速度为参考。为方便起见，我们让芯片正面朝下固定在下图飞机上，那么MPU6050的座标系与飞机的坐标系相同，加速度向量j(x，y，z)可以由分解在三个轴上的加速度分量构成。如果a垂直于地面向上那么飞机此时应当处于匀速直线运动状态。即与Z轴负方向同向，大小为（应该与g相等且方向相反，）。若飞机发生翻转，由于j仍然竖直向上，所以Z轴负方向将不再与j重合。Z轴正方向也就是机腹向下，X轴正方向也就是飞机前进方向（图中的左面）。此时芯片的Roll角ψ就变成了j与其在XZ平面上投影（x，0z）的夹角，Pitch角ω就是j在YZ平面上投影(0，y，z)和加速度向量的夹角。求两个向量的夹角可用点乘公式：，简单推导可得：及由此就可以得到飞行器的大概姿态了。