無(wú)人機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖集錦TOP5 —電路圖天天讀（149）

　　TOP1 無(wú)人機(jī)遙感控制平臺(tái)電路

　　無(wú)人機(jī)相比較衛(wèi)星和載人航空飛機(jī)遙感平臺(tái)而言，具有成本低、靈活性高的特點(diǎn)。為了滿足科學(xué)遙感實(shí)驗(yàn)、完成遙感作業(yè)任務(wù)、協(xié)調(diào)無(wú)人機(jī)電子吊艙中多組件工作、控制遙感影像傳感器姿態(tài)，系統(tǒng)以AT89S52為主控芯片，擴(kuò)展多路串口及USB接口以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外圍設(shè)備的通信，同時(shí)設(shè)計(jì)了相機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及三自由度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。通過無(wú)人機(jī)航空遙感實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠滿足遙感實(shí)驗(yàn)要求。

　　USB接口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

　　USB口擴(kuò)展由CH375芯片實(shí)現(xiàn)。CH375是USB總線的通用接口芯片。它的主要特點(diǎn)是價(jià)格便宜、接口方便、可靠性高。支持 USB-HOST主機(jī)方式和USB-DEVICE／SLAVE設(shè)備方式。CH375的USB主機(jī)方式支持常用的USB全速設(shè)備，外部單片機(jī)需要編寫固件程序按照相應(yīng)的USB協(xié)議與USB設(shè)備通信。但是對(duì)于常用的USB存儲(chǔ)設(shè)備，CH375的內(nèi)置固件可以自動(dòng)處理Mass-Storage海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通信協(xié)議，通常情況下，外部單片機(jī)不需要編寫固件程序．就可以直接讀寫USB存儲(chǔ)設(shè)備中的數(shù)據(jù)。CH375和單片機(jī)的通信有2種方式：并行方式和串行方式。USB擴(kuò)展電路原理圖如圖3所示，CH375芯片設(shè)置為內(nèi)置固件模式，使用12 MHz晶體。單片機(jī)P0口與CH375的D0～D7相連作為數(shù)據(jù)總線，譯碼器輸出CH375的相連片選該芯片，單片機(jī)A0與CH375的A0相連，可選擇 CH375的地址或是數(shù)據(jù)輸入與輸出。當(dāng)A0為高電平是D0～D7的傳輸?shù)氖堑刂罚碗娖綍r(shí)傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)。P3．6和P3．7分別控制CH375的讀寫操作。CH375接單片機(jī)輸入端，當(dāng)有數(shù)據(jù)通過USB口輸入時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，通知單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)CH375芯片初始化后并成功與主機(jī)連通之后，指示燈亮。

　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　穩(wěn)定云臺(tái)控制即為三自由度步進(jìn)電機(jī)控制，即控制遙感傳感器的俯仰角、橫滾角和航向角使穩(wěn)定云臺(tái)保持水平（或垂直）狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)由THB6128芯片實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)只需輸出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方向和脈沖信號(hào)即可達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。

　　THB6128是高細(xì)分兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片，通過單片機(jī)輸出控制信號(hào)，即可設(shè)計(jì)出高性能、多細(xì)分的驅(qū)動(dòng)電路。其特點(diǎn)為雙全橋 MOSFET驅(qū)動(dòng)，低導(dǎo)通電阻Ron=0．55 Ω，最高耐壓36 V，大電流2．2 A（峰值），多種細(xì)分可選，最高可達(dá)128細(xì)分，具有自動(dòng)半流鎖定功能，快衰、慢衰、混合式衰減3種衰減方式可選，內(nèi)置溫度保護(hù)及過流保護(hù)。圖4為航向角步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，俯仰角、橫滾角步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與之相同。圖中CP1與U／D分別為單片機(jī)給出的驅(qū)動(dòng)脈沖與電機(jī)運(yùn)行方向控制信號(hào)。M1，M2，M3為電機(jī)驅(qū)動(dòng)細(xì)分?jǐn)?shù)選擇信號(hào)輸入，由撥碼開關(guān)人為控制。FDT1與VREG1分別為衰減模式選擇電壓與電流控制電壓輸入端。當(dāng)3．5 V時(shí)為慢衰減模式；當(dāng)為混合衰減模式；當(dāng)FDT1《0．8 V時(shí)為快衰減模式。調(diào)整VREG1端電壓即可設(shè)定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流值。

　　CCD／相機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　CCD／相機(jī)驅(qū)動(dòng)由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS221和光耦合器P521實(shí)現(xiàn)。74LS221既可以下降沿觸發(fā)也可上升沿觸發(fā)，且都可以禁止輸出。其輸出的脈寬通過內(nèi)部補(bǔ)償獲得而不受外部電壓和穩(wěn)定影響，在大多數(shù)應(yīng)用中，脈寬只由外接的時(shí)控元件決定。CCD／相機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。圖示參數(shù)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器高電平持續(xù)時(shí)間約為33 ms，可根據(jù)相機(jī)的實(shí)際曝光時(shí)間的需要，改變電路的充電時(shí)間常數(shù)RC來(lái)調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)時(shí)間的長(zhǎng)短。圖中Camera為單片機(jī)P3．5口，當(dāng)其為下降沿時(shí)，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平，此高電平作用于光耦合器P521的二極管端，從而觸發(fā)三極管端導(dǎo)通，進(jìn)而觸發(fā)相機(jī)快門。P521的輸出端串接一個(gè)10kΩ的電阻，防止導(dǎo)通時(shí)電流過大而損壞相機(jī)。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊由AT24C512實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)P3．0，P3．1口分別與AT24C512的SCL、SDL端口相連，并接入上拉電阻，模擬 I2C總線擴(kuò)展 64 KB E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。SRAM擴(kuò)展由IDT6116SA芯片實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)展2 KB用于緩存單片機(jī)計(jì)算過程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)輸入電壓為12 V直流電，電源模塊采用7805與7805兩片三端穩(wěn)壓器串接，降低單片穩(wěn)壓器兩端的壓降，獲得平穩(wěn)的+5 V電壓。|

　　通過實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)可以較好的滿足無(wú)人機(jī)航空遙感平臺(tái)機(jī)載作業(yè)控制的要求，可以協(xié)調(diào)電子吊艙的各個(gè)組件工作，控制相機(jī)的姿態(tài)，實(shí)時(shí)下傳機(jī)載作業(yè)數(shù)據(jù)，使用的I／O口較少，USB接口的擴(kuò)展解決了當(dāng)前許多筆記本電腦不具備COM口的問題，在野外實(shí)驗(yàn)時(shí)亦可及時(shí)的處理作業(yè)系統(tǒng)中的照片信息數(shù)據(jù)。單片機(jī)仍還有較多的資源可以利用，可方便系統(tǒng)的升級(jí)，但同時(shí)也受到微處理器數(shù)據(jù)處理能力的限制。

線下活動(dòng)提醒：【嵌入式應(yīng)用技術(shù)沙龍】以火爆無(wú)人機(jī)為引，深窺嵌入式應(yīng)用在四軸無(wú)人機(jī)電機(jī)控制中的技術(shù)要領(lǐng)。

　　無(wú)人機(jī)技術(shù)專題：讓你了解最前端設(shè)計(jì)，詳情請(qǐng)進(jìn)入》》》

　　TOP2 嵌入式無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路

　　在無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中，飛行控制器是其核心部件，它負(fù)責(zé)飛行控制系統(tǒng)信號(hào)的采集、控制律的解算、飛機(jī)的姿態(tài)和速度，以及與地面設(shè)備的通訊等工作。隨著無(wú)人機(jī)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，它所完成的任務(wù)也越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性要求也越來(lái)越高，這就要求無(wú)人機(jī)的控制核心向高集成度和小型化方向發(fā)展。本文以586-Engine 嵌入式芯片為核心，設(shè)計(jì)了某型無(wú)人機(jī)的飛行控制器?；贏MD Elan SC520處理器的微控制模塊，具有高可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊以及低功耗等特點(diǎn)，它同時(shí)具有功能強(qiáng)大的調(diào)試軟件。586-Engine的主要參數(shù)指標(biāo)如下：

　　（1）CPU為32位AMD Elan SC520，主頻為133MHz;（2）具有高性能的浮點(diǎn)運(yùn)算單元，支持正弦、正切、對(duì)數(shù)等復(fù)雜運(yùn)算，非常適合需要復(fù)雜運(yùn)算的應(yīng)用。（3）配置512KB 的SRAM，512KB的Flash，114字節(jié)內(nèi)部RAM;（4）支持15個(gè)外部中斷。共有7個(gè)定時(shí)器，包括一個(gè)可編程內(nèi)部定時(shí)器，提供3個(gè)16位內(nèi)部定時(shí)器和3個(gè)16位GP定時(shí)器，再加上一個(gè)軟件定時(shí)器。這些定時(shí)器支持外部事件的計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)。軟件定時(shí)器提供微秒級(jí)的硬件時(shí)間基準(zhǔn)。（5）提供32路可編程I/O，2個(gè)UART.共有19路12位A/D輸入，包括11路ADC串行輸入和8路并行ADC，轉(zhuǎn)換頻率為300kHz；6路D/A輸出，包括2個(gè)串行輸出DAC和4個(gè)輸出并行12位DAC，轉(zhuǎn)換頻率為200kHz。（6）工作溫度為-40℃~80℃，尺寸為91.4mm&TImes;58.4mm&TImes;7.6mm。

　　飛行控制器硬件設(shè)計(jì)

　　該型無(wú)人機(jī)是為海軍野戰(zhàn)部隊(duì)提供通訊中繼用途的中型輪式無(wú)人機(jī)，其飛行控制器是一個(gè)單獨(dú)裝箱的小型航空機(jī)載電子設(shè)備，由DC/DC直流電源變換板、計(jì)算機(jī)主機(jī)板、模擬量通道板、開關(guān)量通道板和舵機(jī)控制板組成，全部模板通過母板上的總線方式連接，以減小尺寸，提高集成度。

　　該飛行控制器需要與GPS、磁航向計(jì)和無(wú)線電高度表等進(jìn)行通訊，共需5個(gè)串口。而586-Engine主板只提供2個(gè)串口，分別供地面檢測(cè)和測(cè)控電臺(tái)使用，因此需要進(jìn)行串口擴(kuò)展。串口擴(kuò)展電路如圖3所示。

　　串口擴(kuò)展電路中采用TL16C754四通道UART并-串轉(zhuǎn)換器件，將8位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4路串行輸出，外加MAX202和MAX489電平轉(zhuǎn)換芯片，擴(kuò)展了2個(gè)RS232串口和2個(gè)RS422串口，可滿足飛行控制器的硬件需求。

　　D/A轉(zhuǎn)換硬件電路設(shè)計(jì)

　　此型無(wú)人機(jī)采用模擬舵機(jī)，共需6路D/A通道產(chǎn)生PWM信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。586-Engine主板總共提供8路D/A，其中4路12位并行 D /A（DA7625）分別控制升降舵機(jī)、左右副翼舵機(jī)和方向舵機(jī)，2路12位串行D/A（LTC1446）控制前輪舵機(jī)和油門舵機(jī)。由于DA7625的輸出電壓范圍為0~2.5V，LTC1446輸出電壓范圍為0~4.096V，而舵機(jī)工作電壓為-10~10V，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和電平平移。D/A 電平平移電路如圖所示。

　　由圖可知，D/A電平轉(zhuǎn)換原理是在運(yùn)放輸入端采用加法電路，將輸入信號(hào)與基準(zhǔn)電平比例相加，得到適合采樣的電壓范圍。關(guān)于A/D采集，586- Engine主板上自帶的19路12位的A/D接口完全滿足飛控系統(tǒng)通道數(shù)和轉(zhuǎn)換精度的要求，這些A/D接口分別采集氣壓高度表的數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)機(jī)載電壓、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度、油門開度等。這些信號(hào)發(fā)往地面測(cè)控計(jì)算機(jī)，為操作人員對(duì)無(wú)人機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控提供了基礎(chǔ)。關(guān)于I/O控制，586- Engine主板上提供了32個(gè)16位可編程數(shù)字I/O口，用于采集發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào)、傘艙打開信號(hào)等，并輸出開關(guān)量信號(hào)控制其它設(shè)備，控制無(wú)人機(jī)起飛與回收過程。

　　電源模塊硬件電路設(shè)計(jì)

　　飛行控制器的電源模塊電路給飛行控制器提供干凈穩(wěn)定的供電電壓，用來(lái)保證飛行控制器正常工作。電源模塊電路的設(shè)計(jì)好壞直接影響飛行控制器運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。該型無(wú)人機(jī)由于對(duì)尺寸有一定的要求，同時(shí)考慮到可靠性與成本，因此在設(shè)計(jì)時(shí)選用了成熟的標(biāo)準(zhǔn)模塊電源，外接少量器件即可工作。飛行控制器供電模塊電路如圖5所示。

　　其中，采用24T05D12模塊電源作為供電電路的主芯片，提供的功率為30W，輸入電壓范圍為18V~36V，具有三路電源輸出：+5V 和±12V，為機(jī)載傳感器和舵機(jī)進(jìn)行供電。嵌入式芯片的使用，減小了飛行控制器的體積與重量，實(shí)現(xiàn)了飛行控制器小型化、高集成度的設(shè)計(jì)目標(biāo)；自行設(shè)計(jì)的串口擴(kuò)展電路、舵機(jī)控制板等降低了研制成本，滿足了項(xiàng)目需求方的要求?？梢灶A(yù)見，586-Engine特有的功能以及較高的性價(jià)比將在無(wú)人機(jī)飛行控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

　　TOP3 UAV電源管理系統(tǒng)電路

　　由于在民用及國(guó)防等諸多領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用， 空中機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越被人們所重視， 并吸引了各國(guó)專家學(xué)者的注意。小型旋翼機(jī)器人是以模型直升機(jī)為載體， 裝備上傳感器單元， 控制單元和伺服機(jī)構(gòu)等裝置以實(shí)現(xiàn)自主飛行。而為了提高飛機(jī)的安全性， 需要設(shè)計(jì)一套設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)飛機(jī)的姿態(tài)信息， 機(jī)載設(shè)備的狀況以及電源的情況等。

　　該平臺(tái)所使用的電源是兩節(jié)鋰電池串聯(lián)組成的電池組， 利用鋰離子電池的充放電特性， 設(shè)計(jì)了一套以mega16l 為核心的充放電管理系統(tǒng)。鋰電池具有體積小、能量密度高、無(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)， 與鎳鎘電池、鎳氫電池不太一樣的是必須考慮充電、放電時(shí)的安全性，以防止特性劣化。因此在系統(tǒng)運(yùn)行過程中， 為了保護(hù)鋰電池的安全， 設(shè)計(jì)了一套欠壓保護(hù)電路， 以防止電源管理系統(tǒng)因過用而發(fā)生電池特性和耐久性特性劣化。

　　電源管理系統(tǒng)總體框架

　　無(wú)人機(jī)電源管理系統(tǒng)是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)自主飛行的重要組成部分， 其大致框架如圖1 所示。在該系統(tǒng)中， 利用AXI 公司生產(chǎn)的2212/ 34 型號(hào)發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為220V 交流電， 再經(jīng)過整流穩(wěn)壓后輸出11.6V 的直流電壓， 可由該輸出電壓為兩節(jié)鋰電池充電。電源管理系統(tǒng)的控制器是meg a161單片機(jī)， 該控制器通過檢測(cè)兩節(jié)鋰電池的電壓大小從而控制繼電器開關(guān)來(lái)對(duì)電池進(jìn)行充放電管理。

　　圖1 電源管理系統(tǒng)框架

　　控制器采集到電源系統(tǒng)中的信息后， 通過無(wú)線傳輸設(shè)備將該數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給地面。地面監(jiān)控平臺(tái)還可以發(fā)送一些指令給mega16l， 通過控制繼電器開關(guān)來(lái)控制電池充放電， 從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制飛機(jī)的目的。機(jī)上電源模塊由兩節(jié)英特曼電池有限公司生產(chǎn)的鋰電池組成， 電池組電量充足時(shí)電壓為8？？ 4V.電池的荷電量與整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān)， 電池剩余電量越多， 系統(tǒng)的可靠性越高， 因此飛行時(shí)能實(shí)時(shí)獲得電池的剩余電量， 這將大大提高飛機(jī)的可靠性。

　　電源監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　直升機(jī)能順利完成飛行任務(wù)， 充足的電源供應(yīng)不可或缺。

　　由鋰電池的特性可知， 在過度放電的情況下， 電解液因分解而導(dǎo)致電池特性劣化并造成充電次數(shù)降低。因此為了保護(hù)電池的安全， 電源系統(tǒng)在給控制系統(tǒng)供電前要經(jīng)過欠壓保護(hù)模塊和穩(wěn)壓模塊。為了預(yù)測(cè)電源系統(tǒng)中剩余的電量， 這里采用檢測(cè)電源系統(tǒng)電壓的方法， 在測(cè)得系統(tǒng)的電源電壓后， 查找由放電曲線建立的數(shù)據(jù)庫(kù)， 就能估計(jì)出電源系統(tǒng)中所剩余的電量。

　　單片機(jī)所需要的電源電壓是2. 7 ~ 5.5V， 因此可為meg a16l 設(shè)計(jì)外部基準(zhǔn)電壓為2.5V， 該基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路如圖2所示。所以系統(tǒng)要檢測(cè)電池的電壓， 需要將電池用電阻進(jìn)行分壓且最大分得的電壓值不能超過2.5V.控制器測(cè)得的電壓值乘上電壓分壓縮小的倍數(shù)后， 就能得到電源系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)電壓。時(shí)刻監(jiān)測(cè)鋰電池的用電情況， 防止電池過用現(xiàn)象出現(xiàn)， 就能達(dá)到有效使用電池容量和延長(zhǎng)壽命的目的。

　　圖2 基準(zhǔn)電壓電路

　　直流無(wú)刷電機(jī)電路

　　無(wú)刷直流電機(jī)是由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成， 是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。直流無(wú)刷電機(jī)與一般直流電機(jī)具有相同的工作原理和應(yīng)用特性， 而其組成是不一樣的， 除了電機(jī)本身外， 前者還多一個(gè)換向電路， 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本身是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換部分， 它除了電機(jī)電樞、永磁勵(lì)磁兩部分外， 還帶有傳感器。該發(fā)電機(jī)的部分AC-DC 電路如圖3 所示。

　　圖3 無(wú)刷電機(jī)AC-DC 電路

　　充電電路

　　鋰離子電池的充電特性和鎳鎘、鎳氫電池的充電特性有所不同， 鋰離子電池在充電時(shí)， 電池電壓緩慢上升， 充電電流逐漸減小， 當(dāng)電壓達(dá)到4.2V 左右時(shí)， 電壓基本不變， 充電電流繼續(xù)減小。因此對(duì)于改型充電器可先用先恒流后恒壓充電方式進(jìn)行充電， 具體充電電路如圖4 所示。該電路選用LM2575ADJ 組成斬波式開關(guān)穩(wěn)壓器， 最大充電電流為1A.

　　圖4 高效開關(guān)型恒流/ 恒壓充電器部分電路

　　該電路工作原理如下： 當(dāng)電池接入充電器后， 該電路輸出恒定電流， 對(duì)電池充電。該充電器的恒流控制部分由雙運(yùn)放LM358 的一半、增益設(shè)定電阻R3 和R4 、電流取樣電阻R5 和1. 23V 反饋基準(zhǔn)電壓源組成。剛接入電池后， 運(yùn)放LM358 輸出低電平， 開關(guān)穩(wěn)壓器LM2575-ADJ 輸出電壓高， 電池開始充電。當(dāng)充電電流上升到1A 時(shí)， 取樣電阻R5 （50m 歐） 兩端壓降達(dá)到50mV， 該電壓經(jīng)過增益為25 的運(yùn)放放大后， 輸出1.23V 電壓， 該電壓加到LM2575 的反饋端， 穩(wěn)定反饋電路。

　　當(dāng)電池電壓達(dá)到 8.4V 后， LM3420 開始控制LM2575ADJ 的反饋腳。LM3420 使充電器轉(zhuǎn)入到恒壓充電過程， 電池兩端電壓穩(wěn)定在8？？ 4V.R6 、R7 和C3 組成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)， 保證充電器在恒流/ 恒壓狀態(tài)下穩(wěn)定工作。若輸入電源電壓中斷， 二極管D2 和運(yùn)放LM358 中的PNP 輸入級(jí)反向偏置， 從而使電池和充電電路隔離， 保證電池不會(huì)通過充電電路放電。當(dāng)充電轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)時(shí)， 二極管D3 反向偏置， 因此運(yùn)放中不會(huì)產(chǎn)生灌電流。

　　TOP4 電源欠壓保護(hù)電路

　　電源欠壓保護(hù)由鋰電池的電池放電特性易知， 當(dāng)電池處于3.5V 時(shí)， 此時(shí)電池電量即將用完， 應(yīng)及時(shí)給電池充電， 否則電池電壓將急劇下降直至電池?fù)p壞。于是設(shè)計(jì)了一套欠壓保護(hù)電路如圖5 所示， 利用電阻分壓所得和由TL431 設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓比較， 將比較結(jié)果送人LM324 放大電路進(jìn)而觸發(fā)由三極管構(gòu)成的開關(guān)系統(tǒng)， 從而控制負(fù)載回路的通阻。試驗(yàn)證明， 當(dāng)系統(tǒng)電壓達(dá)到臨界危險(xiǎn)電壓7V 時(shí)， 系統(tǒng)的輸出電流僅為4mA， 從而防止了系統(tǒng)鋰電池過度放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

　　圖5 欠壓保護(hù)電路

　　由于鋰離子電池能量密度高， 因此難以確保電池的安全性。在過度充電狀態(tài)下， 電池溫度上升后能量將過剩， 于是電解液分解而產(chǎn)生氣體， 因內(nèi)壓上升而發(fā)生自燃或破裂的危險(xiǎn)；反之， 在過度放電狀態(tài)下， 電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化， 從而降低可充電次數(shù)。該充電電路和本管理系統(tǒng)能有效的防治鋰電池的過充和過用， 從而確保了電池的安全， 提高鋰電池的使用壽命。

　　本文設(shè)計(jì)了一套UAV 電源管理系統(tǒng)， 該系統(tǒng)具有自動(dòng)控制充放電管理， 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓等功能。該系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性， 但是為了保證飛機(jī)安全， 還要做更多的試驗(yàn)以保證無(wú)人機(jī)自主飛行的安全和穩(wěn)定。除此之外， 高低頻濾波， 電池電量預(yù)測(cè)等也是重要的方向， 需要深入的研究?，F(xiàn)今， 鋰電池的使用范圍越來(lái)越廣， 其價(jià)格也相對(duì)適中，如果掌握先進(jìn)的科學(xué)的使用方法， 讓鋰電池發(fā)揮應(yīng)有的最大效用， 將會(huì)節(jié)省大量的資源和財(cái)富。

　　小型無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳解

　　小型無(wú)人機(jī)在現(xiàn)代軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛。在經(jīng)歷了早期的遙控飛行后，目前其導(dǎo)航控制方式已經(jīng)發(fā)展為自主飛行和智能飛行。導(dǎo)航方式的改變對(duì)飛行控制計(jì)算機(jī)的精度提出了更高的要求；隨著小型無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)復(fù)雜程度的增加，對(duì)飛控計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的要求也更高；而小型化的要求對(duì)飛控計(jì)算機(jī)的功耗和體積也提出了很高的要求。高精度不僅要求計(jì)算機(jī)的控制精度高，而且要求能夠運(yùn)行復(fù)雜的控制算法，小型化則要求無(wú)人機(jī)的體積小，機(jī)動(dòng)性好，進(jìn)而要求控制計(jì)算機(jī)的體積越小越好。

　　在眾多處理器芯片中，最適合小型飛控計(jì)算機(jī)CPU的芯片當(dāng)屬TI公司的TMS320LF2407，其運(yùn)算速度以及眾多的外圍接口電路很適合用來(lái)完成對(duì)小型無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)控制功能。它采用哈佛結(jié)構(gòu)、多級(jí)流水線操作，對(duì)數(shù)據(jù)和指令同時(shí)進(jìn)行讀取，片內(nèi)自帶資源包括16路10位A／D轉(zhuǎn)換器且?guī)ё詣?dòng)排序功能，保證最多16路有轉(zhuǎn)換在同一轉(zhuǎn)換期間進(jìn)行，而不會(huì)增加CPU的開銷；40路可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入／輸出通道；5個(gè)外部中斷；集成的串行通信接口（SCI），可使其具備與系統(tǒng)內(nèi)其他控制器進(jìn)行異步（RS 485）通信的能力；16位同步串行外圍接口（SPI）能方便地用來(lái)與其他的外圍設(shè)備通信；還提供看門狗定時(shí)器模塊（WDT）和CAN通信模塊。

　　飛控系統(tǒng)組成模塊

　　飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各傳感器測(cè)量的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)、接收無(wú)線電測(cè)控終端傳輸?shù)挠傻孛鏈y(cè)控站上行信道送來(lái)的控制命令及數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算處理，輸出控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)中各種飛行模態(tài)的控制和對(duì)任務(wù)設(shè)備的管理與控制；同時(shí)將無(wú)人機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)及發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載電源系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)傳送給機(jī)載無(wú)線電數(shù)據(jù)終端，經(jīng)無(wú)線電下行信道發(fā)送回地面測(cè)控站。按照功能劃分，該飛控系統(tǒng)的硬件包括：主控制模塊、信號(hào)調(diào)理及接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。具體的硬件構(gòu)成原理如圖1所示。

　　模塊功能

　　各個(gè)功能模塊組合在一起，構(gòu)成飛行控制系統(tǒng)的核心，而主控制模塊是飛控系統(tǒng)核心，它與信號(hào)調(diào)理模塊、接口模塊和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相組合，在只需要修改軟件和簡(jiǎn)單改動(dòng)外圍電路的基礎(chǔ)上可以滿足一系列小型無(wú)人機(jī)的飛行控制和飛行管理功能要求，從而實(shí)現(xiàn)一次開發(fā)，多型號(hào)使用，降低系統(tǒng)開發(fā)成本的目的。系統(tǒng)主要完成如下功能：

　?。?）完成多路模擬信號(hào)的高精度采集，包括陀螺信號(hào)、航向信號(hào)、舵偏角信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、缸溫信號(hào)、動(dòng)靜壓傳感器信號(hào)、電源電壓信號(hào)等。由于CPU自帶A／D的精度和通道數(shù)有限，所以使用了另外的數(shù)據(jù)采集電路，其片選和控制信號(hào)是通過EPLD中譯碼電路產(chǎn)生的。

　?。?）輸出開關(guān)量信號(hào)、模擬信號(hào)和PWM脈沖信號(hào)等能適應(yīng)不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如方向舵機(jī)、副翼舵機(jī)、升降舵機(jī)、氣道和風(fēng)門舵機(jī)等）的控制要求。

　?。?）利用多個(gè)通信信道，分別實(shí)現(xiàn)與機(jī)載數(shù)據(jù)終端、GPS信號(hào)、數(shù)字量傳感器以及相關(guān)任務(wù)設(shè)備的通信。由于CPU自身的SCI通道配置的串口不能滿足系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)中使用多串口擴(kuò)展芯片28C94來(lái)擴(kuò)展8個(gè)串口。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為2部分，即邏輯電路芯片EPLD譯碼電路的程序設(shè)計(jì)和飛控系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

　　邏輯電路程序設(shè)計(jì)

　　EPLD 用來(lái)構(gòu)成數(shù)字邏輯控制電路，完成譯碼和隔離以及為A／D，D／A，28C94提供片選信號(hào)和讀／寫控制信號(hào)的功能。該軟件的設(shè)計(jì)采用原理圖輸入和 VERILOG HDL語(yǔ)言編程的混合設(shè)計(jì)方式，遵循設(shè)計(jì)輸入→設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)→設(shè)計(jì)校驗(yàn)→器件編程的流程。系統(tǒng)使用了兩片ispLSI1048芯片，分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) A／D，D／A的控制和對(duì)串口擴(kuò)展芯片28C94的控制。

　　系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　由于 C語(yǔ)言不但能夠編寫應(yīng)用程序、系統(tǒng)程序，還能像匯編語(yǔ)言一樣直接對(duì)計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)行控制，編寫的程序可移植性強(qiáng)。由于以DSP為核心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中涉及到大量對(duì)外設(shè)端口的操作，以及考慮后續(xù)程序移植的工作，所以飛控系統(tǒng)的應(yīng)用程序選用BC 3．1來(lái)設(shè)計(jì)，分別實(shí)現(xiàn)飛行控制和飛行管理功能。

　　軟件按照功能劃分為4個(gè)模塊：時(shí)間管理模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、通信模塊、控制律解算模塊。通過時(shí)間管理模塊在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；數(shù)據(jù)采集模塊采集無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)、姿態(tài)參數(shù)以及飛行參數(shù)、飛行狀態(tài)及飛行參數(shù)進(jìn)行遙測(cè)編碼并通過串行接口傳送至機(jī)載數(shù)據(jù)終端，通過無(wú)線數(shù)據(jù)信道發(fā)送到地面控制站進(jìn)行飛行監(jiān)控；姿態(tài)參數(shù)通過軟件內(nèi)部接口送控制律解算模塊進(jìn)行解算，并將結(jié)果通過D／A通道送機(jī)載伺服系統(tǒng)，控制舵機(jī)運(yùn)行，達(dá)到調(diào)整、飛機(jī)飛行姿態(tài)的目的；通信模塊完成飛控計(jì)算機(jī)與其他機(jī)載外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換功能。

　　利用高速DSP控制芯片在控制律計(jì)算和數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢(shì)及其豐富的外部資源，配合大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD以及串行接口擴(kuò)展芯片28C94設(shè)計(jì)小型機(jī)載飛控計(jì)算機(jī)，以其為核心設(shè)計(jì)的小型無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)具有功能全，體積小，重量輕，功耗低的特點(diǎn)，很好地滿足了小型無(wú)人機(jī)對(duì)飛控計(jì)算機(jī)高精度、小型化、低成本的要求。該設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于某驗(yàn)證無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。

　　TOP5 無(wú)人機(jī)技術(shù)各模塊詳解與技術(shù)分析

　　如今無(wú)人機(jī)成為了展會(huì)最大的熱點(diǎn)之一，大疆（DJI）、Parrot、3D RoboTIcs、AirDog等知名無(wú)人機(jī)公司都有展示他們的最新產(chǎn)品。甚至是英特爾、高通的展位上展出了通信功能強(qiáng)大、能夠自動(dòng)避開障礙物的飛行器。無(wú)人機(jī)在2015年已經(jīng)迅速地成為現(xiàn)象級(jí)的熱門產(chǎn)品，甚至我們之前都沒有來(lái)得及細(xì)細(xì)研究它。與固定翼無(wú)人機(jī)相比，多軸飛行器的飛行更加穩(wěn)定，能在空中懸停。主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)的遙控器的結(jié)構(gòu)圖如下圖。

　　四軸飛行器系統(tǒng)解析圖

　　遙控器系統(tǒng)解析圖

　　以上只是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的解剖圖，有些更加高級(jí)的如針對(duì)航模發(fā)燒友和航拍用戶們的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，還會(huì)要求有云臺(tái)、攝像頭、視頻傳輸系統(tǒng)以及視頻接收等更多模塊。

　　飛控的大腦：微控制器

　　在四軸飛行器的飛控主板上，需要用到的芯片并不多。目前的玩具級(jí)飛行器還只是簡(jiǎn)單地在空中飛行或停留，只要能夠接收到遙控器發(fā)送過來(lái)的指令，控制四個(gè)馬達(dá)帶動(dòng)槳翼，基本上就可以實(shí)現(xiàn)飛行或懸停的功能。意法半導(dǎo)體高級(jí)市場(chǎng)工程師介紹，無(wú)人機(jī)/多軸飛行器主要部件包括飛行控制以及遙控器兩部分。其中飛行控制包括電調(diào)/馬達(dá)控制、飛機(jī)姿態(tài)控制以及云臺(tái)控制等。目前主流的電調(diào)控制方式主要分成BLDC方波控制以及FOC正弦波控制。

　　高通和英特爾推的飛控主芯片

　　CES上我們看到了高通和英特爾展示了功能更為豐富的多軸飛行器，他們采用了比微控制器（MCU）更為強(qiáng)大的CPU或是ARM Cortex-A系列處理器作為飛控主芯片。例如，高通CES上展示的Snapdragon Cargo無(wú)人機(jī)是基于高通Snapdragon芯片開發(fā)出來(lái)的飛行控制器，它有無(wú)線通信、傳感器集成和空間定位等功能。Intel CEO Brian Krzanich也親自在CES上演示了他們的無(wú)人機(jī)。這款無(wú)人機(jī)采用了“RealSense”技術(shù)，能夠建起3D地圖和感知周圍環(huán)境，它可以像一只蝙蝠一樣飛行，能主動(dòng)避免障礙物。英特爾的無(wú)人機(jī)是與一家德國(guó)工業(yè)無(wú)人機(jī)廠商Ascending Technologies合作開發(fā)，內(nèi)置了高達(dá)6個(gè)英特爾的“RealSense”3D攝像頭，以及采用了四核的英特爾凌動(dòng)（Atom）處理器的PCI- express定制卡，來(lái)處理距離遠(yuǎn)近與傳感器的實(shí)時(shí)信息，以及如何避免近距離的障礙物。這兩家公司在CES展示如此強(qiáng)大功能的無(wú)人機(jī)，一是看好無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)，二是美國(guó)即將推出相關(guān)法規(guī)，對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行將有嚴(yán)格的管控。

　　Paul Neil說：xCORE多核微控制器擁有數(shù)量在8到32個(gè)之間的、頻率高達(dá)500MHz 的32位RISC內(nèi)核。xCORE 器件也帶有Hardware Response I/O接口，它們可提供卓越的硬件實(shí)時(shí)I/O性能，同時(shí)伴隨很低的延遲。“這種多核解決方案支持完全獨(dú)立地執(zhí)行系統(tǒng)控制與通信任務(wù)，不產(chǎn)生任何實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）開銷。xCORE微控制器的硬件實(shí)時(shí)性能使得我們的客戶能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的控制算法，同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)無(wú)抖動(dòng)。xCORE多核微控制器的這些優(yōu)點(diǎn)，正是吸引諸如無(wú)人機(jī)/多軸飛行器這樣的高可靠性、高實(shí)時(shí)性應(yīng)用用戶的關(guān)鍵之處。”多軸飛行器需要用到四至六顆無(wú)刷電機(jī)（馬達(dá)），用來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)的旋翼。而馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制器就是用來(lái)控制無(wú)人機(jī)的速度與方向。原則上一顆馬達(dá)需要配置一顆8位MCU來(lái)做控制，但也有一顆MCU控制多個(gè)BLDC馬達(dá)的方案。

　　多軸無(wú)人機(jī)的EMS/傳感器

　　于用 MEMS傳感器測(cè)量角度變化，一般要選擇組合傳感器，既不能單純依賴加速度計(jì)，也不能單純依賴陀螺儀，這是因?yàn)槊糠N傳感器都有一定的局限性。比如說陀螺儀輸出的是角速度，要通過積分才能獲得角度，但是即使在零輸入狀態(tài)時(shí)，陀螺依然是有輸出的，它的輸出是白噪聲和慢變隨機(jī)函數(shù)的疊加，受此影響，在積分的過程中，必然會(huì)引進(jìn)累計(jì)誤差，積分時(shí)間越長(zhǎng)，誤差就越大。這就需要加速度計(jì)來(lái)校正陀螺儀，因?yàn)榧铀俣扔?jì)可以利用力的分解原理，通過重力加速度在不同軸向上的分量來(lái)判斷傾角。由于沒有積分誤差，所以加速度計(jì)在相對(duì)靜止的條件下可以校正陀螺儀的誤差。但在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，加速度計(jì)輸出的可信度就要下降，因?yàn)樗鼫y(cè)量的是重力和外力的合力。較常見的算法就是利用互補(bǔ)濾波，結(jié)合加速度計(jì)和陀螺儀的輸出來(lái)算出角度變化。

　　ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品市場(chǎng)和應(yīng)用經(jīng)理表示，ADI產(chǎn)品主要的優(yōu)勢(shì)就是在各種惡劣條件下，均可獲得高精度的輸出。以陀螺儀為例，它的理想輸出是只響應(yīng)角速度變化，但實(shí)際上受設(shè)計(jì)和工藝的限制，陀螺對(duì)加速度也是敏感的，就是我們?cè)谕勇輧x數(shù)據(jù)手冊(cè)上常見的deg/sec /g的指標(biāo)。對(duì)于多軸飛行器的應(yīng)用來(lái)說，這個(gè)指標(biāo)尤為重要，因?yàn)轱w行器中的馬達(dá)一般會(huì)帶來(lái)較強(qiáng)烈的振動(dòng)，一旦減震控制不好，就會(huì)在飛行過程中產(chǎn)生很大的加速度，那勢(shì)必會(huì)帶來(lái)陀螺輸出的變化，進(jìn)而引起角度變化，馬達(dá)就會(huì)誤動(dòng)作，最后給終端用戶的直觀感覺就是飛行器并不平穩(wěn)。

　　隨著無(wú)人機(jī)的功能不斷增加，GPS傳感器、紅外傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器越來(lái)越多地被用到無(wú)人機(jī)上。方案商已經(jīng)在利用紅外和超聲波傳感器來(lái)開發(fā)出可自動(dòng)避撞的無(wú)人機(jī)，以滿足將來(lái)相關(guān)法規(guī)的要求。集成了GPS傳感器的無(wú)人機(jī)則可以實(shí)現(xiàn)一鍵返航功能，防止無(wú)人機(jī)飛行丟失。而內(nèi)置了GPS功能的無(wú)人機(jī)，可以在軟件中設(shè)置接近機(jī)場(chǎng)或航空限制的敏感地點(diǎn)，不讓飛機(jī)起飛。