方志東 胡世琪
摘要:文中主要介紹了無人機發(fā)展的趨勢,詳細闡述了四旋翼無人機技術(shù)發(fā)展的意義,研究目的、采用的主要技術(shù)及其特點,并對基于STC15W4K48S4主控芯片的四旋翼飛行器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成進行了詳細的介紹,目的在于便于廣大用戶更好的應(yīng)用無人機平臺。
關(guān)鍵詞:信息;安全防范領(lǐng)域;四旋翼無人機
1.引言
隨著科技的發(fā)展,人們對未知領(lǐng)域的探索也拉開帷幕,面對著高風(fēng)險、高強度的任務(wù),人們開始利用無人機替代有人飛機來執(zhí)行,這也是大勢所趨,形勢所迫。無人飛機其實就是一種由無線電遙控控制的設(shè)備,或自身程序控制裝置操縱的無人機駕駛飛行器,又被人稱為遙控駕駛航空器。目前在軍事、救援、農(nóng)業(yè)、安防等領(lǐng)域發(fā)展較為迅速,在一些科技發(fā)達的國家已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。本項目屬于遙控飛行的四旋翼無人機,起降簡單,操作靈活,無人機體積小、重量輕,機身重量僅40.5g,機身尺寸13*13cm,操作距離理論可達500m,利用無人機體積小的特點,可以工作在惡劣的,危害人類健康和生命的環(huán)境中,最大限度地減少人員傷亡,飛行器可以全天工作無需休息,工作效率高,本項目主要是基于無人機平臺,結(jié)合搭載檢測裝置可以實現(xiàn)不同的功能,具有非常好的發(fā)展前景和社會價值。
2.基于STC15W4K48S4主控芯片的四旋翼飛行器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖1所示,四旋翼無人機采用STC15W4K48S4主控芯片,分別由NRF24L01無線控制模塊、MU6050姿態(tài)測量系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)、升壓電路、遙控器控制模塊、電機驅(qū)動模塊、串口通信模塊、地面站系統(tǒng)等組成,四旋翼飛行器控制器的核心任務(wù)是姿態(tài)的測量,它的作用是為飛行器控制系統(tǒng)提供實時、精確的飛行狀態(tài)測量數(shù)據(jù)。通過匿名科創(chuàng)地面站系統(tǒng)調(diào)節(jié)PID參數(shù),這樣做能夠有效提高飛行器姿態(tài)測量精度,確保控制系統(tǒng)的姿態(tài)角的準確性和穩(wěn)定性。
2.1 NRF24L01無線通訊
NRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片??刂破髋c無人機之間采用NRF24L01進行無線通信,使無人機端即時有效地接收控制器所發(fā)出的指令,使其能夠?qū)崿F(xiàn)在空間中自由移動。
2.2 MPU6050姿態(tài)運動傳感器
MPU6050傳感器是三軸數(shù)字羅盤,它可以用來測量四軸飛行器所處位置的三軸磁場信息,該傳感器內(nèi)置了三軸磁阻模塊和放大采樣電路,直接輸出數(shù)字信號,用來測量航向角并進行姿態(tài)解算,主要是起到了無人機在空中的平衡調(diào)節(jié),是四旋翼無人機的核心部分。
特點如下:
(1)IIC 數(shù)字量輸出總線接口,設(shè)計使用簡單,尺寸非常小;
(2)有較高的測量精度,內(nèi)置12位 A/D轉(zhuǎn)換;
(3)擁有自動校準功能,簡化了應(yīng)用的步驟;
(4)內(nèi)置有自測試電路,量產(chǎn)測試非常方便,不需要增加額外的高昂測試設(shè)備;
(5)功耗較低,供電電壓只需要1.8V,睡眠模式功耗-2.5uA,測量模式功耗-0.6mA。
2.3 控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)
(1)四旋翼無人機控制系統(tǒng)是采用NRF24L01無線模塊進行遠程控制,通過控制方向遙感的方向電壓量變化,從而控制無人機的前后左右運動,通過控制方向遙感的油門電壓量變化,從而控制無人機的上下運動,降落起飛。
(2)四旋翼無人機的動力系統(tǒng)由空心杯電機和電機驅(qū)動電路組成,主要是通過PWM脈寬占比去控制場效應(yīng)管的導(dǎo)通時間,從而控制電機的轉(zhuǎn)速。
3.四旋翼無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計
如圖2所示為四旋翼飛行器的外形結(jié)構(gòu),根據(jù)“基本運動學(xué)原理”設(shè)計成這種形狀,在電機1和電機3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時,電機2和電機4順時針旋轉(zhuǎn),因此當(dāng)飛行器平衡飛行時,陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消,使得空氣中對無人機的阻力減少,工作更加穩(wěn)定。
4.結(jié)束語
本文結(jié)合了現(xiàn)代人工智能、無線通信和基本運動學(xué)原理,通過測量四旋翼飛行器控制器姿態(tài),為飛行器控制系統(tǒng)提供實時、精確的飛行狀態(tài)測量數(shù)據(jù),從而精準實現(xiàn)應(yīng)用功能。通過無線控制,可以讓飛行器在惡劣的條件下執(zhí)行任務(wù),并且飛行器可以全天工作無需休息,執(zhí)行效率更高,突顯了無人機的優(yōu)勢。
參考文獻
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(作者單位:長沙學(xué)院,電子信息與電氣工程學(xué)院)