南京科技職業(yè)學院 張 楊 牛宗超

本文設(shè)計了一種新型四軸旋翼無人飛行器控制核心部分，從硬件（包括微控制模塊、加速度計與陀螺儀模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、電機驅(qū)動模塊、電源模塊等）和軟件（包括無線通信、飛行姿態(tài)以及對姿態(tài)的測量等）兩方面闡述設(shè)計原理。給出了基于STC15單片機的小型無人機飛控系統(tǒng)總體設(shè)計方案和軟件流程。

無人飛行器又稱無人機，英文簡稱為UAV，其是利用無線電遠程遙控的、自帶程序控制裝置操縱的或者由搭載的計算機完全地或不完全地自動操作不載人飛行器。本文設(shè)計的無人飛行器除靈活機動性有優(yōu)勢外，更有具有體積小、成本低、使用方便等優(yōu)點。本文基于以上現(xiàn)狀，設(shè)計了一種以IAP15W4K58S4為核心的四軸旋翼無人飛行控制器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

1.1 結(jié)構(gòu)

四旋翼飛行器的螺旋槳轉(zhuǎn)速是由通過控制搭載的四個無刷電機來改變的，以控制升力的變化從而實現(xiàn)對飛行器位置以及各種姿態(tài)的控制。

1.2 組成

所設(shè)計的四軸飛行器主要由機身主體、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三大部分組成。本系統(tǒng)使用了MPU6050作為姿態(tài)測量芯片，采用NRF24L01+芯片作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸芯片，由場效應(yīng)管驅(qū)動四個電機旋轉(zhuǎn)，持續(xù)增加二極管的續(xù)流，防止場效應(yīng)管被電機返電動勢擊穿。

本系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 四旋翼飛行器原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 微控制器模塊

本設(shè)計IAP15W4K58S4作為系統(tǒng)的主處理器。該單片機可以調(diào)制出250～450hz的PWM脈沖方波，送給驅(qū)動電路，頻率越高轉(zhuǎn)速會越快。

2.2 加速度計和陀螺儀模塊

MPU-6050芯片是一款9軸運動處理傳感器,包括3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，還有一個可擴展的數(shù)字運動處理器DMP。MPU6050模塊原理圖，如圖2所示。

圖2 MPU6050模塊原理圖

2.3 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

在無線數(shù)據(jù)傳輸模塊方面，為了解決遙控器與無人機之間的通信問題，本設(shè)計采用了NRF24L01芯片無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。NRF24L01的工作頻段在2.4Ghz～2.5Ghz之間，可以通過SPI接口設(shè)置協(xié)議，選擇輸出功率。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊如圖3所示。

圖3 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

2.4 電機驅(qū)動模塊

在控制和驅(qū)動直流電機方面，我們采用了N溝道場效應(yīng)管，不僅僅能通過最大為2.8A的電流還具備有較大的漏極電流，以保障絕對的安全。

2.5 電源模塊

電源采用了BL8530芯片作為電源部分的芯片，這個芯片具有極強的負載驅(qū)動能力，極低的啟動電壓且電壓精度可以達到2%，效率能達到85%之高。電源模塊如圖4所示。

圖4 BL8530芯片模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

多旋翼無人機的飛行原理是通過改變四個電機的的旋轉(zhuǎn)速度從而實現(xiàn)改變螺旋槳的轉(zhuǎn)動速度，實現(xiàn)其升降，然后使飛行器達到穩(wěn)定的姿態(tài)。此外，它是一種六個方向自由度的垂起飛行器，雖然只有四個通道輸入力，但可以提供六個狀態(tài)的輸出，所以被我們稱之為欠驅(qū)動系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)參與控制才能保證這種系統(tǒng)完成飛行。

飛行控制系統(tǒng)的程序流程圖，如圖5所示。

3.2 姿態(tài)控制

只有在飛行器的姿態(tài)、角度等信息計算出來后，飛控才可以進行輸出與控制。其表示方式可以分為歐拉角控制和四元數(shù)控制。控制的思路為：調(diào)整四個直流電機的轉(zhuǎn)動速度，使測量結(jié)果接近目標姿態(tài)。選用PID控制器，可以規(guī)避較為復(fù)雜的精準的動力學建模。

結(jié)束語：本文設(shè)計了一種四軸旋翼無人飛行器，闡述了其軟硬件優(yōu)勢，通過設(shè)計原理了解該四軸旋翼無人機較傳統(tǒng)多旋翼無人機在體積、便捷性、成本上更勝一籌。近幾年來，無人機一直都是研究領(lǐng)域的熱門，隨著國家對民用無人機的支持與民用航空的開發(fā)，通過便攜性高、成本低、響應(yīng)速度快的無人機構(gòu)建民用航空生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的路一片光明。