多旋翼無人機硬件電路設計和實現探討

摘要：本文主要是從控制原理、電源模塊、電源管理和傳感器設計這四個角度論述多旋翼無人機硬件電路設計過程。

關鍵詞：多旋翼無人機；硬件電路設計；實現路徑

0.引言

近年來，多旋翼無人機受到了廣泛關注，不論是在學校還是網絡上都可以聽到相關消息，由此可見無人機已經走進人們的生活。發生這種現象的主要原因是人們對無人機的興趣和需求已經達到了一定的高度，從而推動了多旋翼無人機的迅猛發展，人們對無人機備受青睞的主要因素有體積小、便于操作，即使在很狹小的地方它都可以起飛，人們可以利用它進行空中拍攝。當前，多旋翼無人機正在飛速發展，未來很有可能像智能手機一樣被人們普遍使用。

1.控制原理

無人機控制主要包括兩部分，分別由高端處理器和低端處理器組成，高端處理器和低端處理器都選用32位的ARM架構超低功耗芯片，根據各芯片的不同功能它承擔著不同的職責，譬如角速度信號、電子羅盤和加速度等工作由高端芯片來實現，而低端芯片主要是接收高端芯片處理后的姿態信息，然后把姿態信息解算成PWM信號驅動電機轉速，從而確保飛機能夠在預定的高度飛行[1]。

2.電源模塊

2.1電源濾波電路

在當今時代，無論哪一種電子設備都面臨著電磁干擾的問題，為了預防本電路設計中電磁干擾對電路性能產生重大影響，本設計著重對傳導干擾中的電源線傳導干擾采取防御措施。一般情況下，主要是使用EMI濾波器抑制電源線干擾，濾波器的特性主要是通過插入損耗來表示。在使用過程中，即使EMI濾波器的插入損耗設計達標，也有可能受到負載阻抗和源阻抗的變化影響，因而無法取得理想的濾波效果。因此，在選取濾波器的時候應選擇指標較高的濾波器作為電路元器件，其中的耐壓值為16伏特，最大通過電流為2安培，主要用于抑制高頻諧波對電源線的干擾。

2.2插入損耗的測量

對插入損耗的測量一般在終端阻抗達標時執行，輸入輸出的阻抗應為50歐姆。在實際測量中，可以通過多種方式測量插入損耗，譬如頻譜儀和信號跟隨器等，通過對比濾波器前后的信號頻率衰減程度就可以判斷濾波的好壞，在整個頻率范圍內應著重關注最小插入損耗，確定了濾波器內部參數以后，就無法控制輸入輸出的阻抗大小，因此無法達到理想的濾波效果。在選用濾波器時應根據自身需求選擇較好的濾波器，這樣可以有效減小輸入輸出阻抗變化引起的濾波性能下降[2]。

3.電源管理

3.1主電源管理

多旋翼系統主要是使用鋰電池供電，為了防止鋰電池放電導致電路出現故障，本設計選用了BQ24315對輸入電壓、電池電壓和電流進行監控，BQ24315可以把大于5.5伏特的輸入電壓轉化為恒定的5.5伏特輸出電壓，并提供過壓和過流保護。此外，它還具有防高溫的功能，用戶可以自己設置過流閾值。整個供電系統從接插件上引入控制板，并將引入電源分為3路，每路的走線分散到3片BQ24315電源管理芯片上。

3.2掉電保護

VBAT輸入在系統掉電和低功耗模式下是一個32字節寄存器文件供電，此引腳連接設備使用鋰電池的正極，并通過FMU-VDD-3V3電源為其充電，并維持電壓的穩定，然后采用NSR30CM3器件連接備用電池。在實際運用時，應在靠近MCU的地方放置一個0.1uF的旁路電容，從而降低電源切斷事件的發生率。NSR30CM3T5G具有超低前向壓降和傳導損耗，可以快速切換電源，在系統掉電時就能把電源切換為MCU和特定寄存器，從而系統數據以防丟失。該器件一般可以在-45-85攝氏度情況下正常工作，還可以用于軍事，當電源發生故障時，可以擊穿其中一只二極管放電，從而保護電路的正常運行。因此，本設計在其他電源部位也添加了該器件。

4.傳感器設計

4.1氣壓計

由于多旋翼無人機是在空中飛行，所以需要實時測量其飛行高度，比如說可以把它固定在某個高度，然后利用氣壓計測量其高度[3]。本設計中選用了兩個氣壓計，其中一個是MS5611-01BA傳感器，這種傳感器可以同時支持I2C和SPI接口，并適用于不同接口的芯片設計，而且不需要降低內部編程的難度，用戶使用時更加方便，系統設計也擁有更大的空間。另一個是BMP280絕對氣壓傳感器，這種傳感器適用于小型移動設備，譬如手機、手表和手環等設備。BMP280是運用壓阻式技術研發的壓力傳感器，該傳感器的精度高、線性度高、魯棒性高，而且支持電磁兼容，在控制設備時具有極高的靈活性。

4.2加速度計

MPU-60X0九軸運動處理傳感器主要包括3軸MEMS陀螺儀、可擴展數字運動處理器和3軸MEMS加速度計，它是可以用于I2C接口連接第三方數字的傳染器。 MPU-60X0的設計架構減少了加速度計對溫漂和制造參數的靈敏度，將其置于水平面時可以測出X、Y軸方向的加速度為0，Z軸的加速度為+1g。該加速度計的尺度因子在出廠時已經被驗證過，而且獨立于電壓源，其數字輸出量可以智能調節，通過I2C或SPI接口就可以與外部設備通信。 MPU-60X0對加速度計和角速度計使用了3個16位的ADC，將檢測模擬量轉化為可輸出的數字量，用戶通過設置傳感器檢測范圍就可以跟蹤快速運動和慢速運動。

5.結語

雖然本文設計的電路基本能夠實現無障礙平穩飛行，但是還存在一些不足，比如說飛機需要躲避高壓線障礙，還要克服非電磁引起的信號干擾，另外還有一些較小的障礙物檢測仍待改進。飛機必須在距離高壓線5-6米的距離才能穩定飛行，而且高壓線障礙太過細小很難檢測。因此，要想實現高壓線與飛機距離的檢測還存在一些困難，目前可以在距離高壓線10米左右的范圍分辨出塔上銷釘檢測結果也能達到巡檢要求，而且漏檢率較低。隨著飛行器的不斷發展，其應用價值和應用領域也在不斷擴大，未來將會有更多的人加入到多旋翼飛行器研究事業中，為我國航天航空事業的發展做出更多的貢獻。

參考文獻：

[1] 龔俊杰.電力巡檢多旋翼無人機硬件電路設計與實現[D].電子科技大學，2016，13（01）：23-24.

[2] 李旭陽.小型多旋翼無人機飛行控制器研究[D].西安電子科技大學，2014，11（02）：18-19.

[3] 薛亮.多旋翼無人機飛行控制系統設計與實現[D].南京航空航天大學，2016，17（03）：25-26.

作者簡介：陳洛涎（1986.8）男；民族：漢族；籍貫：廣東省。單位：佛山市安爾康姆航空科技有限公司；職位：組長；學位：大學專科。endprint