四旋翼飛行器控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.3.2 地面站模塊

　　飛行器地面站主要完成以下兩個(gè)方面的功能：(1)在飛行器穩(wěn)定飛行時(shí)檢測(cè)飛行器的飛行狀態(tài)，傳遞控制參數(shù)給飛行器，使其按照控制算法運(yùn)行;(2)在飛行器調(diào)試階段，完成飛行器PID參數(shù)的修改和調(diào)整。由于PC機(jī)一般留給用戶操作的多為USB接口，然而nRF24L01通訊接口為SPI接口，本設(shè)計(jì)選用51單片機(jī)讀取nRF24L01的數(shù)據(jù)，繼續(xù)由單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口芯片與PC機(jī)通訊，完成地面站數(shù)據(jù)的傳輸功能。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

2.4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

　　本設(shè)計(jì)選用直流無(wú)刷電機(jī)作為飛行器的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備。根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的換向原則，無(wú)刷直流電機(jī)的控制形式分為：開(kāi)環(huán)控制、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制和電壓反饋加電流正反饋控制。其中，開(kāi)環(huán)控制無(wú)反饋進(jìn)行校對(duì)，應(yīng)用于轉(zhuǎn)速精度要求不高的場(chǎng)所;轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制的機(jī)械性能好;電壓反饋加電流正反饋控制一般應(yīng)用在動(dòng)態(tài)性能要求高的場(chǎng)合。針對(duì)本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，需要實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且調(diào)速頻率比較大，所以在本設(shè)計(jì)中采用電壓反饋加電流正反饋控制方法。

2.4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)電機(jī)控制原理，本設(shè)計(jì)將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路劃分為三個(gè)部分：微處理器、反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)和功率驅(qū)動(dòng)部分。

　　(1)微處理器

　　由于無(wú)刷直流電機(jī)的換向頻率比較高，不宜使用低頻率的處理器，再加上電機(jī)的旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，對(duì)處理器有很大的干擾。通過(guò)比較，本設(shè)計(jì)采用ATMEGA8單片機(jī)作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)微處理器。

　　(2)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)

　　在換向的過(guò)程中，需要不停地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，通過(guò)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)就可以知道轉(zhuǎn)子的位置信息，通過(guò)分壓衰減原理，檢測(cè)電機(jī)三相反電動(dòng)勢(shì)電壓相對(duì)中性點(diǎn)的電壓，從而確定轉(zhuǎn)子的位置。反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路如圖5所示。

　　其中，A、B、C端子為電機(jī)三相電壓，R33~R38為分壓電阻，P-A、P-B、P-C分別三相反電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)電壓，P-M為中性點(diǎn)電壓。

　　(3)功率驅(qū)動(dòng)

　　功率驅(qū)動(dòng)是為了給電機(jī)提供大的電流，使其達(dá)到能夠穩(wěn)定運(yùn)行的目的，本設(shè)計(jì)采用并聯(lián)MOS管提高輸出的電流，在每一相上橋臂并聯(lián)3個(gè)P溝道MOS管，達(dá)到三相全橋可控的目的，在每一相的下橋臂上也并聯(lián)3個(gè)N溝道MOS管。

3 硬件系統(tǒng)調(diào)試

3.1 PWM控制飛行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)試

　　通過(guò)對(duì)4個(gè)電機(jī)進(jìn)行通電，加上不同占空比的PWM波形，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，記錄電源電壓、電流的變化情況，在穩(wěn)定輸出11.1V，不同的占空比下，電源電流變化情況如表1所示。

　　由表1可知：占空比越大，電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作需要的電流越大;在占空比達(dá)到接近極限值時(shí)，電流輸出變化很小，實(shí)驗(yàn)表明硬件系統(tǒng)能夠可靠運(yùn)行。

　　3.2 無(wú)線通訊調(diào)試

　　通過(guò)測(cè)試無(wú)線的連通性、傳輸距離和丟包率，來(lái)確定無(wú)線模塊的性能特性。把遙控器設(shè)置為發(fā)送模式，地面站設(shè)置為接收模式，利用地面站的報(bào)警燈來(lái)指示接收的狀態(tài)，成功接受一次閃一下，通過(guò)改變遙控器和接收機(jī)之間的距離，記錄一分鐘內(nèi)指示燈閃爍的次數(shù)，來(lái)評(píng)估無(wú)線傳輸質(zhì)量;測(cè)試分別在教學(xué)樓樓道和空曠操場(chǎng)進(jìn)行，詳細(xì)記錄見(jiàn)表2。

　　由表2可知：無(wú)線通訊在15m之后的傳輸效果有明顯下降，這是由無(wú)線通信模塊的功率決定的，實(shí)驗(yàn)表明無(wú)線通信部分在設(shè)計(jì)需求范圍內(nèi)能夠可靠運(yùn)行。

3.3 綜合調(diào)試

　　圖6為PID控制算法下載到四旋翼飛行器控制器進(jìn)行實(shí)際飛行控制的姿態(tài)曲線圖，其中①代表橫滾角，②代表俯仰角，③代表偏航角。圖6為飛行器受到側(cè)風(fēng)干擾后，姿態(tài)角受控重新收斂到平穩(wěn)(0,0,0)狀態(tài)的角度數(shù)據(jù)。下圖為飛行器從某一個(gè)姿態(tài)受控收斂到平穩(wěn)(0,0,0)狀態(tài)的角度數(shù)據(jù)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　完成了四旋翼飛行器控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)各個(gè)模塊硬件器件選型和電路設(shè)計(jì)，進(jìn)行了系統(tǒng)硬件電路的調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]姬江濤，扈菲菲，賀智濤,等.四旋翼無(wú)人機(jī)在農(nóng)田信息獲取中的應(yīng)用[J]農(nóng)機(jī)化研究，2013，35(2):1-4

　　[2]王史春. 四旋翼飛行器力學(xué)模型與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35(2)：218-223

　　[3]宿敬亞，樊鵬輝，蔡開(kāi)元. 四旋翼飛行器的非線性PID 姿態(tài)控制[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37( 9) : 1054-1058

　　[4]李俊，李運(yùn)堂.四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)建模及 PID 控制[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版) ，2012,31(4):114-117