电子信息工程新型无人机操控电子飞控系统-最小系统的设计

广东东软学院本科毕业设计（论文）[13]。步进电机之所以能精准定位是因为其角位移量是由脉冲个数决定的，它是断续移动的（见图2.33），并不是跟提供动力的直流电机一样连续转动的，所以无人机方向以及转速可以通过程序去计算步进电机的步距角来进行准确的控制。图2.33步进电机转动过程图在新型无人机的电机驱动电路中，可选NMOS管（高电平导通）用作开关，D极接电机，S极接地，G极接收主芯片发出的PWM信号。电机附近还要接入一个0.1uF的滤波电容，用来吸收电机产生的高频杂讯；同时，在MOS开启瞬间电流如果过大，会导致瞬间开启，这时接入一个起到限流作用的电阻可防止缩短MOS管的寿命；另外，在G极与S极连接的电路间要加一个10K的下拉电阻，因为芯片在复位状态下，所有IO口都处于浮空输入状态，加入下拉电阻可以避免在单片机还没工作即无控制信号时，导致MOS管导通出现电机疯狂旋转的情况，电路见图2.34。图2.34部分电机驱动电路2.6其他接口共轴式双旋翼新型无人机的飞行控制原理大大促进了无人机的发展，有很大的应用前景。因此，为了方便二次开发，在电路中还设计了一个NRF24101的通讯接口、预留了一个IIC接口和一个UART3串口，如图2.35所示，以便未来可以继续提高完善新型无人机操控电子飞控系统。NRF24101的通讯接口预留的IIC接口预留的UART3串口123456783V3GNDCECSKSCKMOSIMISO\123412343V3SCLSDAGNDUART3_TXUART3_RXGND5V图2.35接口飞控最小系统的制作在第二章已经将整个新型无人机操控电子飞控系统——最小系统的各个模块进行了分析设计，并将个别模块实现了仿真。接下来就要利用AltiumDesigner画出新型无人机操控电子飞控系统——最小系统的原理图和PCB图。3.1工具在校期间，我们学习了一个名为AltiumDesigner的软件，简称AD。这个软件功能强大、操作简单，可以使电子开发者轻松完成原理图的设计和PCB的绘制。AD更新非常快，现在已经更新到AltiumDesigner20.0.9版本，在本次设计中，我将会使用AD14来完成新型无人机操控电子飞控系统——最小系统的原理图与PCB图。3.2绘制原理图3.2.1步骤图3.1原理图制作流程图3.1是AD绘制原理图的大致流程图，下面将详细描述一下制作原理图的具体步骤。（1）打开AD软件，点击“文件”→“新建”→“project”建立一个工程文件。（2）点击“文件”→“新建”→“原理图”建立一个名为mysch.SchDoc的原理图文件，保存并添加到之前创建的工程下。（3）按照设计选择需要的元器件，如果元器件在默认库里找不到，可以点击“文件”→“新建”→“库”→“原理图库”建立一个原理图库，然后自己绘制元器件。（4）按照设计进行拉线，将元器件连接起来。（5）检查网络连接，保存，完成原理图。3.2.2原理图新型无人机操控电子飞控系统的——最小系统的原理图如图3.2所示。图3.2原理图3.3绘制pcb图3.3.1步骤图3.3PCB制作流程图3.3是AD绘制PCB的大致流程图，下面将详细描述一下制作PCB的具体步骤。（1）点击“文件”→“新建”→“PCB”建立一个名为myPCB.SchDoc的PCB文件，同样要将PCB文件保存并添加到原理图所在的工程下。（2）确定元器件封装：在“工具”的“封装管理器”里寻找合适元器件的封装元件并“生效执行”（如图3.4）；如果在封装库里没有合适的封装文件，可以新建一个PCB库，自己根据元件的尺寸去绘制元件的封装。图3.4选封装（3）确定好元件封装后，将原理图导入PCB。（4）制定板子大小：先在keep_out层按照需要的尺寸画一个封闭的边框，然后按shift选中所有边，点击“设计”→“板子形状”→“按照选择对象定义”生成板子。（5）设置规则：规则可以根据自己的需求来修改，这里我是直接导入了一个通用的规则。（6）先对元器件进行布局，见图3.5。（7）布局完成后接着完成布线，将元器件连接起来，见图3.6。图3.5布局完成图3.6布线完成（8）其他信号线连起来后，要对GND网络铺铜，见图3.7。图3.7铺铜完成（9）铺铜完成后要进行设计规则（DRC）检查，不能违反规则，见图3.8。图3.8DRC检查3.3.2PCB新型无人机操控电子飞控系统——最小系统的PCB如图3.9和3.10所示，图3.11为PCB的三维显示图。图3.9正面图3.10背面图3.11PCB的三维显示

总结这个新型无人机操控电子飞控系统是一个集体项目，采用模块化设计方式将电子控制系统分割成多个子系统分成了七个子模块，分别是最小系统的设计与实现、通信子系统的设计与实现、通信接口技术研究、遥控终端设计与实现、飞行状态显示终端子系统的设计与实现、飞控算法的软件设计与实现以及飞行状态动画模拟显示的设计与实现。其中我的毕业设计负责的是无人机最小系统的设计。由于在大学课堂学习的内容十分广泛，对电路系统设计方面的知识接触不深，所以要完成这次设计，首先要围绕无人直升机的电子控制系统的设计去复习相关的基本概念和基本方法，特别聚焦在以单片机为核心的电子控制系统的结构、功能和器件选型，然后还要与其它子系统设计的同学保持密切联系，约定相应的接口标准，最后完成最小系统的设计。由于在做毕业设计之前没有接触过stm32，也没有设计过电路，再加上自己的专业知识不扎实，所以在实际的学习与设计中，遇到了很多不懂的问题，导致了最小系统的设计进展缓慢。通过不断地查阅资料自我学习，最后终于完成了最小系统的设计并绘制出了原理图和PCB图。通过这次综合的设计，让我更深入地学习了电路系统设计的知识，知道了电子控制系统的基本结构，学会了查看芯片手册，通过芯片手册知道了芯片的作用以及芯片与元器件的电路连接。虽然最小系统的设计已经完成，但是并没有实现出来。而且从整个大项目来看，这只是其中的一个子模块。在未来，希望能继续加强完善这个无人机电子操控的最小系统，尽可能把电路板做出来，完成与其它子模块的连接，保证模块与模块之间的相互匹配，最后可以结合程序进行测试。相信只要坚持下去，在不久的将来一定会完成新型无人机电子操控系统的设计，共轴式双旋翼新型无人机一定会在世人面前精彩亮相。

参考文献杨小川,刘刚,王运涛,孙岩,孟德虹,李伟.Pixhawk开源飞控项目概述及其航空应用展望[J].飞航导弹,2018(04):25-32+76.文武,杨晓波.Draganfly四旋翼微型飞行器[J].轻兵器,2011,(3).盛利元.共万向轴式全刚性双旋翼直升机:CN201821030425.7[P].2019-02-19刘火良.STM32库开发实战指南[M].北京:机械工业出版社,2013.施雨农.基于STM32与MCX314的熔丝沉积成型机控制系统研究[D].华中科技大学,2014.孔庆楠.基于STM32的半导体激光器驱动电路的设计[D].吉林大学,2016.王爱珍.基于51单片机的测温系统设计[J].传感器世界,2013,19(11):40-42.黄双成.全国高职高专院校规划教材基于网络化教学的项目化单片机应用技术[M].北京：电子工业出版社，2013.08.张泽宇.单片机复位电路设计与研究[J].电子技术与软件工程,2013(22):138-139.杨婧婧.电容降压电路工作原理[J