基于APM2.8飛控器的可測溫無人機控制系統

徐霄 劉寅生 李英東 楊帆 張建華

沈陽工學院

基于APM2.8飛控器的可測溫無人機控制系統

徐霄 劉寅生 李英東 楊帆 張建華

沈陽工學院

本文介紹了基于APM2.8飛控器的可測溫無人機的系統構成，系統硬件由APM2.8開源飛控、多旋翼專用電調、三相電機、DS18B20測溫器件、STC89C52RC單片機等組成，實現了無人機的正常飛行和測溫功能。

APM2.8開源飛控 電子調速器 無線通信

1 飛控的原理及調試

在APM飛控系統中，采用的是兩級PID控制方式，第一級是導航級，第二級是控制級。導航級PID控制就是要解決飛機如何以預定空速飛行在預定高度的問題，以及如何轉彎飛往目標問題。控制級的任務就是依據需要的俯仰角、油門、橫滾角，結合飛機當前的姿態解算出合適的舵機控制量，使飛機保持預定的俯仰角，橫滾角和方向角。

首先需要在移動設備上安裝MP地面站，通過數據線或者無線數傳與飛控進行鏈接。接下來要做的就是給它刷入自己需要的固件。當一個全新的固件下載進APM板以后，需要做的三件事：一是遙控輸入校準，二是加速度校準，三是羅盤校準，缺一不可。完成這三個校準，在解鎖后，電機就會以怠速運行。此時，飛控已經具備了基本的飛行能力。

但在實際飛行當中，APM的功能切換是通過切換飛行模式實現的，APM有多種飛行模式可供選擇，但一般一次只能設置六種，加上CH7、CH8的輔助，最多也就八種。為此，需要遙控器其中一個通道支持可切換六段PWM值輸出。一般以第五通道作為模式切換控制通道，當第五通道輸入的PWM值分別在0-1230，1231-1360，1361-1490，1491-1620，1621-1749，1750+這六個區間時，每個區間的值就可以開起一個對應的飛行模式，推薦的六個PWM值是1165，1295，1425，1555，1685，1815nS。使用的遙控器是樂迪AT9遙控器，AT9具備這個功能，就可以繼續配置APM飛行模式了。配置飛行模式前同樣需要連接MP與APM，點擊配置調試菜單，選擇Flight Modes，就會彈出飛行模式配置界面。配置界面中，六個飛行模式對應的PWM值，是否開啟簡單模式，super simile模式都一目了然，模式的選擇只需要在下拉框中選擇即可。出于安全考慮，將0-1230設置為返航模式，其它5個根據自己遙控習慣自行配置，但有一個原則，要保證模式切換開關隨時能切換到自穩模式上。

2 電調與電機部分

2.1 電調的工作原理

電調的全稱叫電子調速器。一般傳統的無人機電機都采用無刷交流電機，因為這種電機都采用三相六狀態120°導通方式，所以在工作狀態必須確定每個周期中的六個關鍵轉子位置信號。本項目使用的電調為好盈樂天20A多旋翼專用電調。

本系統采用三相電動機，所以選用的電調有三個輸出端。輸入端總共3個，信號輸入端，電源端，地端。飛控共分模擬數據段與數字數據端，公地連接。信號輸入端與飛控信號輸出端連接，接收的信號為高低電平直流脈沖信號，通過區分高低電平占空比來控制調節輸出量。信號控制端所接收到的信號為一個固定周期的脈沖信號，一個周期由一個1和一個0組成。電調的輸出為三相交流電，其內部工作原理為由直流到三相交流的逆變過程。根據電機工作的要求，由于電機為三相電機，在運行過程中要求恒轉矩調速，所以輸出的三相交流電的幅值在變化的同時，頻率也在做相應的調整。而使這二者變化的控制脈沖即是一個變頻上的難點。電調的輸入端連接飛控的輸出端，由飛控經過多級控制，最終提供高低電平的脈沖控制信號控制逆變。

2.2 電機的調速方式

雖然電機的調速方式為近似的恒轉矩調速，但是在整個過程中并不是完全理想化的恒轉矩調速，調速過程中，頻率f的變化不如電動勢E的變化大，而其中損失的一部分電動勢將轉化為內能，即高轉速下比低轉速下有更多的能量裝化為內能（相差非常小，高轉速與低轉速只有在持續較長的時間后才會顯示出溫度的差異）。

3 溫度收發模塊

發射部分溫敏器件采用DS18B20。DS18B20采用三線制接法，單片機選用STC89C52RC單片機，無線電通信天線采用nRF24L01。除發射部分，另設置數據接收端，同樣采用STC89C52RC單片機與nRF24L01。無線收發器包括：頻率發生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。輸出功率頻道選擇和協議的設置可以通過SPI接口進行設置，幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數據傳送工作。

4 總結

本文介紹了基于APM2.8飛控控制的可測溫無人機的系統構成，本項目使用的是APM2.8開源飛控、好盈樂天20A多旋翼專用電調、三相電機、溫敏器件采用DS18B20，單片機選用STC89C52RC單片機，實現無人機的正常飛行和測溫功能。

[1]APM入門使用手冊

[2]董宇欣.單片機應用技術.哈爾濱工業大學出版社,2014

劉寅生，自動化專業教師，大創團隊指導教師。

徐霄、李英東、張建華，自動化專業2014級學生；楊帆，電氣工程及其自動化專業2014級學生，都是大創團隊成員。