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(tǒng)
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(tǒng)構成,系統(tǒng)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(xiàn)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
在APM飛控系統(tǒng)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??刂萍壍娜蝿站褪且罁?jù)需要的俯仰角、油門、橫滾角,結合飛機當前的姿態(tài)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(shù)據(jù)線或者無線數(shù)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(xiàn)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?shù)谖逋ǖ垒斎氲腜WM值分別在0-1230,1231-1360,1361-1490,1491-1620,1621-1749,1750+這六個區(qū)間時,每個區(qū)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(xù)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(jù)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(wěn)模式上。
2.1 電調的工作原理
電調的全稱叫電子調速器。一般傳統(tǒng)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(tài)120°導通方式,所以在工作狀態(tài)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(tǒng)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(shù)據(jù)段與數(shù)字數(shù)據(jù)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(qū)分高低電平占空比來控制調節(jié)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(jù)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(xù)較長的時間后才會顯示出溫度的差異)。
發(fā)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(fā)射部分,另設置數(shù)據(jù)接收端,同樣采用STC89C52RC單片機與nRF24L01。無線收發(fā)器包括:頻率發(fā)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(xié)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(shù)據(jù)傳送工作。
本文介紹了基于APM2.8飛控控制的可測溫無人機的系統(tǒng)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(xiàn)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(yè)大學出版社,2014
劉寅生,自動化專業(yè)教師,大創(chuàng)團隊指導教師。
徐霄、李英東、張建華,自動化專業(yè)2014級學生;楊帆,電氣工程及其自動化專業(yè)2014級學生,都是大創(chuàng)團隊成員。