四旋翼飛行器控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

摘要：本文基于四旋翼飛行器的工作原理和性能特點(diǎn)，設(shè)計了飛行器控制系統(tǒng)的硬件電路。系統(tǒng)包含微控制器模塊、姿態(tài)測量模塊、無線通訊模塊、遙控器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊。系統(tǒng)能夠為傳感器參數(shù)測量、控制算法實現(xiàn)、無線通信等提供硬件平臺，功耗低、可靠性高。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

引言

　　四旋翼飛行器是一種具有6個自由度和4個控制輸入的可垂直起降、懸停、前飛、側(cè)飛和倒飛的無人駕駛飛行器，4只旋翼可相互抵消反扭力矩，不需要專門的反扭矩槳。被廣泛應(yīng)用于無人偵察、森林防火、災(zāi)情監(jiān)測、城市巡邏等領(lǐng)域。飛行控制系統(tǒng)是四旋翼飛行器的核心部分，其性能的好壞決定了整個系統(tǒng)的性能。近年來，微小型四旋翼無人機(jī)的自主飛行控制得到了研究人員的廣泛關(guān)注^[1]。隨著計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)的小型飛行器研究開發(fā)工作逐漸升溫，許多公司形成了產(chǎn)業(yè)。例如大疆公司將四軸飛行器等多軸飛行器實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。國內(nèi)研究的重點(diǎn)主要為三個方面：姿態(tài)控制、傳感器技術(shù)發(fā)展以及新材料的應(yīng)用、電池領(lǐng)域技術(shù)的研究。典型代表有哈工大、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)等^[2]。在控制算法上，先進(jìn)PID控制得到廣泛應(yīng)用^[3-4]。

　　本文以ARM Cortex-M3架構(gòu)的STM32C8T6作為飛行器控制處理器，以MPU-6050作為飛行器的姿態(tài)傳感器，以低功耗2.4GHz的nRF24L01作為無線傳輸器件，以HC-RS04超聲波作為障礙物報警傳感器設(shè)計系統(tǒng)硬件電路。經(jīng)過實驗調(diào)試，硬件系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　四旋翼飛行器由一個十字支架和四個螺旋槳組成，支架中間安放飛行控制處理器及外部設(shè)備，四個螺旋槳半徑和角度相同，呈左、右、前、后四個方向兩兩對稱排列。四個電機(jī)對稱安裝在支架端，其中，電機(jī)1和電機(jī)3逆時針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)4順時針旋轉(zhuǎn)，通過改變四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

1.2 工作原理

　　四旋翼飛行器在工作時，是通過電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)對四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)升力的不同變化，從而控制飛行器的運(yùn)行狀態(tài)。飛行器的電機(jī)1和電機(jī)3呈逆時針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)4呈順時針旋轉(zhuǎn)，此時飛行器的陀螺效應(yīng)和空氣扭矩效應(yīng)均被抵消，從而保證飛行器能夠平衡穩(wěn)定的飛行。通過適當(dāng)?shù)馗淖冸姍C(jī)的轉(zhuǎn)速，來控制飛行器的飛行狀態(tài)。

1.3 飛行器控制系統(tǒng)總體系統(tǒng)設(shè)計

　　飛行控制系統(tǒng)分為地面和機(jī)載兩部分，其在物理上是彼此單獨(dú)的，在邏輯上是彼此相連的。地面部分又分為地面站部分和遙控器部分，這兩部分相互獨(dú)立。整個飛行控制系統(tǒng)由微控制器模塊、無線模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、姿態(tài)測量模塊、高度測量模塊、報警電路模塊、地面站和遙控器等部分組成。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)主要功能模塊硬件電路設(shè)計

2.1 微控制器模塊

　　本控制系統(tǒng)是一個多輸入多輸出系統(tǒng)，控制模塊的主要輸入信號有各個傳感器的測量數(shù)據(jù)，輸出信號為四路變脈寬電機(jī)控制信號，需要多個定時/計數(shù)器控制信號脈寬。系統(tǒng)需要處理很多傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并且需要將數(shù)據(jù)送回地面系統(tǒng)，需要實時控制，響應(yīng)速度必須要快。此外，本系統(tǒng)傳感器的接口多樣化，需要更多樣的接口才能便于軟件讀取。基于這些需求，本設(shè)計中飛行器微處理器模塊選用ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6，它的時鐘頻率可以達(dá)到72MHz，并且擁有IIC總線接口、JTAG接口、SPI接口、AD采集接口、多路PWM輸出和多個串口，便于多樣化傳感器的掛接和程序的下載與調(diào)試。此微控制器具有8個定時器，對于信號采集和PWM輸出均能滿足。

2.2 姿態(tài)測量模塊

　　四旋翼飛行器受電機(jī)振動和外界干擾影響較大，精確數(shù)學(xué)模型建立較難，且其載重有限，一般以慣性器件作為姿態(tài)測量裝置，姿態(tài)測量部件是整個硬件系統(tǒng)的重要部分。本設(shè)計綜合考慮硬件設(shè)計原則，采用MPU-6050作為飛行器的姿態(tài)傳感器。MPU-6050通過IIC協(xié)議接口進(jìn)行通訊，只需要將MPU-6050的SDA數(shù)據(jù)線和SCL時鐘線與STM32通用I/O口相連接，其電路如圖3所示。為了穩(wěn)定輸出，避免空閑總線開漏，利用R2與R3作為SDA和SCL的上拉電阻，提高總線的負(fù)載能力。電路中C9為數(shù)字供電電壓濾波電容，C8為校準(zhǔn)濾波電容，C10為電荷泵電容，C11為供電電壓濾波電容。

2.3 無線通訊模塊

　　系統(tǒng)在這三個方面需要無線通訊：首先需要將遙控器的信號通過無線模塊發(fā)送出去。其次，地面站需要接收飛控端的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并需要發(fā)送控制參數(shù)。最后，在飛控端需要接收遙控器和地面站的數(shù)據(jù)。結(jié)合通訊距離，成本等因素，本設(shè)計選用nRF24L01無線模塊器件。其發(fā)射電路可以通過LC振蕩電路構(gòu)成。為了便于維修，利用接口將無線模塊獨(dú)立出來。

2.3.1 遙控器模塊

　　本設(shè)計采用搖桿控制方式，利用數(shù)-模轉(zhuǎn)換器將搖桿的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號傳遞給小型控制器，經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理，通過無線發(fā)射出去，供飛行器控制器接收利用。采用nRF24L01作為遙控器的無線發(fā)射器件，為了便于數(shù)-模轉(zhuǎn)換，遙控器搖桿采用搖桿電位器，通過采集電位器的電壓值去衡量遙控的行程量;由于遙控器處理信號單一，不需要高速的處理器，采用8位的51單片機(jī)STC89C52RC作為遙控器的控制器，用來采集搖桿的模擬信號和發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。采用PCF8591作為數(shù)據(jù)獲取器件，其含有4路模擬量輸入，1路模擬量輸出，屬于標(biāo)準(zhǔn)的IIC通訊，能夠滿足本設(shè)計要求。遙控器硬件電路如圖4所示。