四旋翼飛行器控制系統的硬件創新設計

(鄭州大學機械工程學院 河南 鄭州 450001)

四旋翼飛行器控制系統的硬件創新設計

楊智涵萬侖侖

(鄭州大學機械工程學院河南鄭州450001)

本文的四旋翼飛行器控制系統便是實現小型平臺的飛行與移動。20世紀90年代以后，隨著微機電系統MEMS的成熟研究，使得多旋翼、多軸飛行器的自動控制得已實現，小型軸飛行器進入人們的視野中去。本文構設了一個以四旋翼飛行為主要特點的控制系統，同時對其硬件實現方面進行了實驗性探索。介紹可移動平臺硬件設計包括：以STM32F1系列為核心控制器，MPU6050構成的三相測速儀和三軸螺旋儀進行采集角度。并采用NRF24L01作為通信模塊進行串口通訊。并通過電調進行電子調轉速，4路PWM波進行控制電機的運轉和驅動。

飛行器；硬件創新

一、飛行控制系統的框架結構

飛控硬件結構有STM32F1為主題的控制模塊、以MPU6050為主芯片的傳感器模塊、無刷電機驅動模塊、電源模塊、USB口程序下載模塊、無線通訊模塊。基于四旋翼飛行平臺，可以針對不同飛控要求和應用體驗擴展外部設備。下面是介紹：

主控制器模塊，以STM32F1為主控制器，可以通過算法及庫程序實現多軸傳感器數據采集，對數據處理與分析。同時還可融合結算數據，并通過無線傳感模塊接受外部傳遞的數據，處理運算出電機控制量，產生輸出的PWM波形驅動電機，最后通過模擬信號傳輸電子調速器，進而控制電機的運轉。傳感器模塊主體MPU605,為三軸測速儀計和三軸地磁壓力儀集成，同時輔助以高集成化的可測壓力滯后的高度測度儀、電子指南針等其他傳感器。外面通信模塊包括基本外設串口，設計為USB轉串口，使硬件驅動和算法調試方便，通過無線通信實現遙控。遙控接收機作用是接受遠端控制信號，產生新控制操作數字信號。無刷動力電機配合無刷電子調速器，通過PWM波形調控，設計PWM波捕獲處理器件，產生解調并傳輸給電調，實現電機調速與控制。電源模塊作用為多模塊提供能量，但又要輸送不同的電壓。提供的電壓有3.3,5和11.1伏特，分別給核心處理器、信號接收器、電機驅動提供電源；不同的電壓就需要包括一系列穩定電壓及電壓轉換模塊。

二、飛行控制系統的硬件設計

(一)主控制器模塊

主控模塊是飛行器控制模塊，也是最核心的部分，執行多種復雜的任務，相當于人的大腦。主控制器模塊，以STM32F1為主控制器，可以通過算法及庫程序實現多軸傳感器的數據采集，并對其數據進行處理與分析。主控模塊包括擁有I2C接口用于六軸測速儀的通訊傳輸，并具有SPI接口同通訊模塊的NRF24L01無線通訊，兩個UART串口控制串口輸出，四路捕獲定時器、四路輸出定時器收發PWM波驅動電機、還用一些備用GPIO串口為外設拓展。選取STM32F1系列主控芯片，其內部資源十分豐富，而且價格低廉，資料眾多，庫函數豐富，易于上手，時鐘頻率高，適合飛行控制大量運算。該系列芯片運用ARM Cortex-M3的32位RISC內核，時鐘源為外部16MHZ晶體振蕩器，工作頻率為72MHz，具有豐富的外部擴展接口和內置定時器和存儲器，支持低壓供電，本文選用供電電壓為3.7伏特。

(二)MEMS傳感器模塊

MEMS傳感器模塊作用是對飛行器飛行姿態檢測調控，反饋當時姿態。傳感器模塊主體是MPU605,為三軸測速儀和三軸陀螺儀集成。主控模塊的通訊方式是串行總線的I2C通信，同時進行雙向通信，讀取傳感器模擬信號，對其姿態進行運算分析，產生控制信號，形成閉環的控制。MPU6050數據分析信息傳輸組件，這是最主要的MEMS傳感器，為Invent Sense出品的MPU6050芯片內部集成了三軸測速儀和三軸陀螺儀。姿態測量中我們選用以上兩種傳感器使用。其特點是完美解決了軸差問題，即組裝陀螺儀與加速計容易存在的，大大節省了排版空間。其內置了可編程高效的濾波器，我們可以通過編程和庫程序改變其頻率進行濾波。

(三)通信模塊

轉串口的設計思路中芯片選取CH340T，硬件結構是通用接口轉TTL電路。其特點是以常見的USB口，可以方便的實現與電腦的連接，同時較快的傳輸數據，進行程序的編寫和庫函數的導入。而且可以提供電源，并通過電源轉換電路產生一個合適的弱電電壓。本電路設計包括JTAG接口，JTAG是國際性具有標準協議的測試接口，是最常用嵌入式開發接口，在可靠性測試不可或缺。JTAG接口有多個引腳，時鐘測試輸入為TCK引腳；TDO與TDI測試數據輸出入引腳。通過DSR來選擇測試模式；同時也包括復位輸入引腳和異步它們的標準均為電平為低電平時有效；NRST是當接收的信息最高位為低時，接收器是屬于鎖存狀態，不會進行字節存儲。當NRST的最高位參數為1時，PC從其攜帶的后數據堆件中存儲。

(四)遙控器接收模塊

解碼電路，操作器和高頻電路為遙控器的重要組成部分。簡單來說六通道控制信號由遙控其發出，首先經PPM編碼，再接收2.4G高頻解調器處理濾波，再發送出去；信號到了接收端，相應的電路對所接受到的高頻信號則由進行解釋調解，最終恢復出解調前的PPM信號，最終利用主控制器對信號進行解碼，得到一個模擬信號，然后通過電調改變其控制量。常見的SPC傳輸遙控器有兩種工作方式，優點是體積重，足夠用于飛控4通道傳輸數據。對于擴展定時器，我們可以通過直接數據接收和脈沖捕獲，用來收取經過接收機、譯碼器處理還原過后信號。

(五)穩壓模塊

主控芯片和傳感器芯片工作標定為3.3V，可以選擇AMS1117的固定設壓版作為5V至3.3V穩壓控壓器。這里的設計結構和大多數控壓器類似，比如普通的78系列可控控壓器或LM317可控控壓器。穩壓器工作原理是通過對輸出電壓的信號采集處理，然后信號作用到調節電路，通過改變輸出級的阻抗，當傳輸能量較大時，就改變起始級的阻抗，阻抗改變導致調整管的電壓相應改變，當傳輸能量較小時，就改變輸出級的阻抗，阻抗變大導致調整管的電壓變大，依靠這樣的原理便實現了壓力穩定。同時也實現的電壓的轉換。

(六)驅動模塊

在驅動模塊，將四路PWM波輸出到電調中，控制信號進行處理，電調最終獲得的是已處理的模擬信號，最終電調作用將調整電機進而改變整體機身的推力，可選取在飛控板安排四路PWM波輸出通道，控制外部四個無刷電機。

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楊智涵(1993-)，男，漢族，河南省洛陽市，研究生，鄭州大學，研究方向機械設計。