四旋翼飞行器控制系统的硬件创新设计

(郑州大学机械工程学院 河南 郑州 450001)

四旋翼飞行器控制系统的硬件创新设计

杨智涵万仑仑

(郑州大学机械工程学院河南郑州450001)

本文的四旋翼飞行器控制系统便是实现小型平台的飞行与移动。20世纪90年代以后，随着微机电系统MEMS的成熟研究，使得多旋翼、多轴飞行器的自动控制得已实现，小型轴飞行器进入人们的视野中去。本文构设了一个以四旋翼飞行为主要特点的控制系统，同时对其硬件实现方面进行了实验性探索。介绍可移动平台硬件设计包括：以STM32F1系列为核心控制器，MPU6050构成的三相测速仪和三轴螺旋仪进行采集角度。并采用NRF24L01作为通信模块进行串口通讯。并通过电调进行电子调转速，4路PWM波进行控制电机的运转和驱动。

飞行器；硬件创新

一、飞行控制系统的框架结构

飞控硬件结构有STM32F1为主题的控制模块、以MPU6050为主芯片的传感器模块、无刷电机驱动模块、电源模块、USB口程序下载模块、无线通讯模块。基于四旋翼飞行平台，可以针对不同飞控要求和应用体验扩展外部设备。下面是介绍：

主控制器模块，以STM32F1为主控制器，可以通过算法及库程序实现多轴传感器数据采集，对数据处理与分析。同时还可融合结算数据，并通过无线传感模块接受外部传递的数据，处理运算出电机控制量，产生输出的PWM波形驱动电机，最后通过模拟信号传输电子调速器，进而控制电机的运转。传感器模块主体MPU605,为三轴测速仪计和三轴地磁压力仪集成，同时辅助以高集成化的可测压力滞后的高度测度仪、电子指南针等其他传感器。外面通信模块包括基本外设串口，设计为USB转串口，使硬件驱动和算法调试方便，通过无线通信实现遥控。遥控接收机作用是接受远端控制信号，产生新控制操作数字信号。无刷动力电机配合无刷电子调速器，通过PWM波形调控，设计PWM波捕获处理器件，产生解调并传输给电调，实现电机调速与控制。电源模块作用为多模块提供能量，但又要输送不同的电压。提供的电压有3.3,5和11.1伏特，分别给核心处理器、信号接收器、电机驱动提供电源；不同的电压就需要包括一系列稳定电压及电压转换模块。

二、飞行控制系统的硬件设计

(一)主控制器模块

主控模块是飞行器控制模块，也是最核心的部分，执行多种复杂的任务，相当于人的大脑。主控制器模块，以STM32F1为主控制器，可以通过算法及库程序实现多轴传感器的数据采集，并对其数据进行处理与分析。主控模块包括拥有I2C接口用于六轴测速仪的通讯传输，并具有SPI接口同通讯模块的NRF24L01无线通讯，两个UART串口控制串口输出，四路捕获定时器、四路输出定时器收发PWM波驱动电机、还用一些备用GPIO串口为外设拓展。选取STM32F1系列主控芯片，其内部资源十分丰富，而且价格低廉，资料众多，库函数丰富，易于上手，时钟频率高，适合飞行控制大量运算。该系列芯片运用ARM Cortex-M3的32位RISC内核，时钟源为外部16MHZ晶体振荡器，工作频率为72MHz，具有丰富的外部扩展接口和内置定时器和存储器，支持低压供电，本文选用供电电压为3.7伏特。

(二)MEMS传感器模块

MEMS传感器模块作用是对飞行器飞行姿态检测调控，反馈当时姿态。传感器模块主体是MPU605,为三轴测速仪和三轴陀螺仪集成。主控模块的通讯方式是串行总线的I2C通信，同时进行双向通信，读取传感器模拟信号，对其姿态进行运算分析，产生控制信号，形成闭环的控制。MPU6050数据分析信息传输组件，这是最主要的MEMS传感器，为Invent Sense出品的MPU6050芯片内部集成了三轴测速仪和三轴陀螺仪。姿态测量中我们选用以上两种传感器使用。其特点是完美解决了轴差问题，即组装陀螺仪与加速计容易存在的，大大节省了排版空间。其内置了可编程高效的滤波器，我们可以通过编程和库程序改变其频率进行滤波。

(三)通信模块

转串口的设计思路中芯片选取CH340T，硬件结构是通用接口转TTL电路。其特点是以常见的USB口，可以方便的实现与电脑的连接，同时较快的传输数据，进行程序的编写和库函数的导入。而且可以提供电源，并通过电源转换电路产生一个合适的弱电电压。本电路设计包括JTAG接口，JTAG是国际性具有标准协议的测试接口，是最常用嵌入式开发接口，在可靠性测试不可或缺。JTAG接口有多个引脚，时钟测试输入为TCK引脚；TDO与TDI测试数据输出入引脚。通过DSR来选择测试模式；同时也包括复位输入引脚和异步它们的标准均为电平为低电平时有效；NRST是当接收的信息最高位为低时，接收器是属于锁存状态，不会进行字节存储。当NRST的最高位参数为1时，PC从其携带的后数据堆件中存储。

(四)遥控器接收模块

解码电路，操作器和高频电路为遥控器的重要组成部分。简单来说六通道控制信号由遥控其发出，首先经PPM编码，再接收2.4G高频解调器处理滤波，再发送出去；信号到了接收端，相应的电路对所接受到的高频信号则由进行解释调解，最终恢复出解调前的PPM信号，最终利用主控制器对信号进行解码，得到一个模拟信号，然后通过电调改变其控制量。常见的SPC传输遥控器有两种工作方式，优点是体积重，足够用于飞控4通道传输数据。对于扩展定时器，我们可以通过直接数据接收和脉冲捕获，用来收取经过接收机、译码器处理还原过后信号。

(五)稳压模块

主控芯片和传感器芯片工作标定为3.3V，可以选择AMS1117的固定设压版作为5V至3.3V稳压控压器。这里的设计结构和大多数控压器类似，比如普通的78系列可控控压器或LM317可控控压器。稳压器工作原理是通过对输出电压的信号采集处理，然后信号作用到调节电路，通过改变输出级的阻抗，当传输能量较大时，就改变起始级的阻抗，阻抗改变导致调整管的电压相应改变，当传输能量较小时，就改变输出级的阻抗，阻抗变大导致调整管的电压变大，依靠这样的原理便实现了压力稳定。同时也实现的电压的转换。

(六)驱动模块

在驱动模块，将四路PWM波输出到电调中，控制信号进行处理，电调最终获得的是已处理的模拟信号，最终电调作用将调整电机进而改变整体机身的推力，可选取在飞控板安排四路PWM波输出通道，控制外部四个无刷电机。

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杨智涵(1993-)，男，汉族，河南省洛阳市，研究生，郑州大学，研究方向机械设计。