(鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的硬件創(chuàng)新設(shè)計

楊智涵萬侖侖

(鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院河南鄭州450001)

本文的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)便是實現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)，小型軸飛行器進入人們的視野中去。本文構(gòu)設(shè)了一個以四旋翼飛行為主要特點的控制系統(tǒng)，同時對其硬件實現(xiàn)方面進行了實驗性探索。介紹可移動平臺硬件設(shè)計包括：以STM32F1系列為核心控制器，MPU6050構(gòu)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(diào)進行電子調(diào)轉(zhuǎn)速，4路PWM波進行控制電機的運轉(zhuǎn)和驅(qū)動。

飛行器；硬件創(chuàng)新

一、飛行控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

飛控硬件結(jié)構(gòu)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(qū)動模塊、電源模塊、USB口程序下載模塊、無線通訊模塊?；谒男盹w行平臺，可以針對不同飛控要求和應(yīng)用體驗擴展外部設(shè)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?qū)崿F(xiàn)多軸傳感器數(shù)據(jù)采集，對數(shù)據(jù)處理與分析。同時還可融合結(jié)算數(shù)據(jù)，并通過無線傳感模塊接受外部傳遞的數(shù)據(jù)，處理運算出電機控制量，產(chǎn)生輸出的PWM波形驅(qū)動電機，最后通過模擬信號傳輸電子調(diào)速器，進而控制電機的運轉(zhuǎn)。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(shè)串口，設(shè)計為USB轉(zhuǎn)串口，使硬件驅(qū)動和算法調(diào)試方便，通過無線通信實現(xiàn)遙控。遙控接收機作用是接受遠端控制信號，產(chǎn)生新控制操作數(shù)字信號。無刷動力電機配合無刷電子調(diào)速器，通過PWM波形調(diào)控，設(shè)計PWM波捕獲處理器件，產(chǎn)生解調(diào)并傳輸給電調(diào)，實現(xiàn)電機調(diào)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(qū)動提供電源；不同的電壓就需要包括一系列穩(wěn)定電壓及電壓轉(zhuǎn)換模塊。

二、飛行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)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(zhí)行多種復(fù)雜的任務(wù)，相當(dāng)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?qū)崿F(xiàn)多軸傳感器的數(shù)據(jù)采集，并對其數(shù)據(jù)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(fā)PWM波驅(qū)動電機、還用一些備用GPIO串口為外設(shè)拓展。選取STM32F1系列主控芯片，其內(nèi)部資源十分豐富，而且價格低廉，資料眾多，庫函數(shù)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(nèi)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(nèi)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(tài)檢測調(diào)控，反饋當(dāng)時姿態(tài)。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(tài)進行運算分析，產(chǎn)生控制信號，形成閉環(huán)的控制。MPU6050數(shù)據(jù)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(nèi)部集成了三軸測速儀和三軸陀螺儀。姿態(tài)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(jié)省了排版空間。其內(nèi)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(zhuǎn)串口的設(shè)計思路中芯片選取CH340T，硬件結(jié)構(gòu)是通用接口轉(zhuǎn)TTL電路。其特點是以常見的USB口，可以方便的實現(xiàn)與電腦的連接，同時較快的傳輸數(shù)據(jù)，進行程序的編寫和庫函數(shù)的導(dǎo)入。而且可以提供電源，并通過電源轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生一個合適的弱電電壓。本電路設(shè)計包括JTAG接口，JTAG是國際性具有標準協(xié)議的測試接口，是最常用嵌入式開發(fā)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(shù)據(jù)輸出入引腳。通過DSR來選擇測試模式；同時也包括復(fù)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(dāng)接收的信息最高位為低時，接收器是屬于鎖存狀態(tài)，不會進行字節(jié)存儲。當(dāng)NRST的最高位參數(shù)為1時，PC從其攜帶的后數(shù)據(jù)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(fā)出，首先經(jīng)PPM編碼，再接收2.4G高頻解調(diào)器處理濾波，再發(fā)送出去；信號到了接收端，相應(yīng)的電路對所接受到的高頻信號則由進行解釋調(diào)解，最終恢復(fù)出解調(diào)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(diào)改變其控制量。常見的SPC傳輸遙控器有兩種工作方式，優(yōu)點是體積重，足夠用于飛控4通道傳輸數(shù)據(jù)。對于擴展定時器，我們可以通過直接數(shù)據(jù)接收和脈沖捕獲，用來收取經(jīng)過接收機、譯碼器處理還原過后信號。

(五)穩(wěn)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(shè)壓版作為5V至3.3V穩(wěn)壓控壓器。這里的設(shè)計結(jié)構(gòu)和大多數(shù)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(wěn)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(diào)節(jié)電路，通過改變輸出級的阻抗，當(dāng)傳輸能量較大時，就改變起始級的阻抗，阻抗改變導(dǎo)致調(diào)整管的電壓相應(yīng)改變，當(dāng)傳輸能量較小時，就改變輸出級的阻抗，阻抗變大導(dǎo)致調(diào)整管的電壓變大，依靠這樣的原理便實現(xiàn)了壓力穩(wěn)定。同時也實現(xiàn)的電壓的轉(zhuǎn)換。

(六)驅(qū)動模塊

在驅(qū)動模塊，將四路PWM波輸出到電調(diào)中，控制信號進行處理，電調(diào)最終獲得的是已處理的模擬信號，最終電調(diào)作用將調(diào)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(xué)，研究方向機械設(shè)計。