四旋翼飛行器控制系統硬件電路設計

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

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。被廣泛應用于無人偵察、森林防火、災情監(jiān)測、城市巡邏等領域。飛行控制系統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的性能。近年來，微小型四旋翼無人機的自主飛行控制得到了研究人員的廣泛關注^[1]。隨著計算機技術和電子技術的發(fā)展，國內的小型飛行器研究開發(fā)工作逐漸升溫，許多公司形成了產業(yè)。例如大疆公司將四軸飛行器等多軸飛行器實現了商業(yè)化應用。國內研究的重點主要為三個方面：姿態(tài)控制、傳感器技術發(fā)展以及新材料的應用、電池領域技術的研究。典型代表有哈工大、北京航空航天大學、南京航空航天大學、國防科技大學等^[2]。在控制算法上，先進PID控制得到廣泛應用^[3-4]。

　　本文以ARM Cortex-M3架構的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計系統硬件電路。經過實驗調試，硬件系統能夠穩(wěn)定、可靠運行。

1 系統總體結構設計

1.1 物理結構設計

　　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。四個電機對稱安裝在支架端，其中，電機1和電機3逆時針旋轉，電機2和電機4順時針旋轉，通過改變四個電機的轉速來控制電機的運行狀態(tài)。其結構形式如圖1所示。

1.2 工作原理

　　四旋翼飛行器在工作時，是通過電機調速系統對四個電機的轉速進行調節(jié)，以實現升力的不同變化，從而控制飛行器的運行狀態(tài)。飛行器的電機1和電機3呈逆時針旋轉，電機2和電機4呈順時針旋轉，此時飛行器的陀螺效應和空氣扭矩效應均被抵消，從而保證飛行器能夠平衡穩(wěn)定的飛行。通過適當地改變電機的轉速，來控制飛行器的飛行狀態(tài)。

1.3 飛行器控制系統總體系統設計

　　飛行控制系統分為地面和機載兩部分，其在物理上是彼此單獨的，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，這兩部分相互獨立。整個飛行控制系統由微控制器模塊、無線模塊、電機驅動模塊、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。系統總體框圖如圖2所示。

2 系統主要功能模塊硬件電路設計

2.1 微控制器模塊

　　本控制系統是一個多輸入多輸出系統，控制模塊的主要輸入信號有各個傳感器的測量數據，輸出信號為四路變脈寬電機控制信號，需要多個定時/計數器控制信號脈寬。系統需要處理很多傳感器傳來的數據，并且需要將數據送回地面系統，需要實時控制，響應速度必須要快。此外，本系統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?；谶@些需求，本設計中飛行器微處理器模塊選用ARM Cortex-M3內核的STM32F103C8T6，它的時鐘頻率可以達到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振動和外界干擾影響較大，精確數學模型建立較難，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的重要部分。本設計綜合考慮硬件設計原則，采用MPU-6050作為飛行器的姿態(tài)傳感器。MPU-6050通過IIC協議接口進行通訊，只需要將MPU-6050的SDA數據線和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，提高總線的負載能力。電路中C9為數字供電電壓濾波電容，C8為校準濾波電容，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)數據，并需要發(fā)送控制參數。最后，在飛控端需要接收遙控器和地面站的數據。結合通訊距離，成本等因素，本設計選用nRF24L01無線模塊器件。其發(fā)射電路可以通過LC振蕩電路構成。為了便于維修，利用接口將無線模塊獨立出來。

2.3.1 遙控器模塊

　　本設計采用搖桿控制方式，利用數-模轉換器將搖桿的模擬量轉化為數字量，再將轉化后的數字信號傳遞給小型控制器，經過一定的數據處理，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-模轉換，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)送采集到的數據。采用PCF8591作為數據獲取器件，其含有4路模擬量輸入，1路模擬量輸出，屬于標準的IIC通訊，能夠滿足本設計要求。遙控器硬件電路如圖4所示。