【多旋翼无人机的组装与调试分析6000字（论文）】

多旋翼无人机的组装与调试研究摘要本文主要是研究多旋翼无人机的组装与调试，研究过程中，笔者首先对无人机避障技术进行了资料查阅，其次就本次无人机的总体方案设计进行了分析，对结构设计、技术指标都进行了分析；其次就无人机防撞装置进行分析，详细的机械传动结构设计、自平衡原理分析、电机选型、螺旋桨设计和框架设计等。最后对多旋翼无人机的主要模块进行分析、组装并完成功能调试。关键词：多旋翼无人机避障目录TOC\o"1-3"\h\u206531引言 引言我国各个行业在市场经济不断发展的当下呈现出一派繁荣景景象。其中，无人机技术算是新型发展的技术之一，也是科技进步的体现。无人机是以手机为无线遥控设备，利用手机应用控制器在无人机内完成复杂的飞行和载荷操作的无人机任务。在众多类型的无人机中，四旋翼式无人机可能是最具代表性的。这类无人机可以有多种工作模式，可以水平作业、也可以垂直作业，易于用户选择，便于操作者跟踪和探测，无人机甚至可以飞行自己的距离以更接近目标。2多旋翼无人机飞行控制系统介绍由于多旋翼无人机通过发动机转速的差异来控制位置，所以最重要的关键部件是专用的多旋翼飞行控制（多轴飞行控制）。与传统的固定翼无人机飞控相比，具有更高的性能和更高的可靠性要求[1]。多轴飞控由单片机和传感器组成，通常为STM32单片机或AVR单片机，包括陀螺仪芯片、加速度计芯片、磁力计芯片，内置微型气压计[2]。要实现自动驾驶，通常有一个GPS模块，有的还有一个数字速度指示器来获得正确的速度。除封闭的军事和实验室项目外，多轴飞控一般有两种类型：闭源商用飞控和开源飞控[3]。前者以大疆制造的系列飞控为代表，后者以美国的APM、PX4等为代表，图1为多旋翼无人机飞控结构示意图。图1多轴飞控结构图从技术上讲，开源飞控项目优于商业飞控项目。今天，许多多旋翼无人机使用开源飞行控制系统，而且它便宜又实惠[4]。因此，本项目采用开源飞控打造低成本的多旋翼无人机控制系统，并采用其他方法提高飞控稳定性，完全优于商业封闭源代码的使用。飞行控制器。考虑到平台成熟度和多功能性，我们采用了基于开源PX4飞控系统的方案。2.1PX4飞控系统PX4飞控曾经是一个实验室项目，后来被APM和3DRRobotics项目团队采用[5]。PX4飞控采用双MCU（微控制单元，即单片机）设计，运行nuttXRTOS（基于Linux的嵌入式实时操作系统），是当今最强大的飞控。PX4上可以使用两种类型的固件[6]。一种是库存的PX4固件，由于可用性差，很少使用并且不是特别稳定。另一种是nuttX的端口，用于PX4固件的APM。使用的APM飞控固件版本非常成熟，是可用的最强大的飞控固件之一。2.2PX4飞控的冗余原理PX4飞控的优势在于设计冗余。采用双单片机设计，辅助单片机除处理输入控制信号外，还可在主单片机程序崩溃时控制无人机返航或着陆。硬件方面，陀螺仪也采用了两组备份设计，所有电源接口在接口上都有切换和反接功能，供电部分采用多重备份，避免出错[7]。冗余工作的结构如图2所示。图2PX4双MCU冗余结构3多旋翼无人机的结构及组装3.1多旋翼无人机的结构典型的多旋翼无人机由机架、脚架、电机、电调、螺旋桨、电池、遥控器和飞控组成。支架是无人机的机械框架，用于支撑放置在其上的其他组件。当无人机撞击地面时，三脚架起到缓冲作用。电机是无人机的动力部件，通过旋转螺旋桨产生升力，而电铃则用于为电机提供动力并控制速度。电池是无人机的电源，遥控器是用来遥控的。飞控是无人机的核心，通常由主控单片机、姿态传感器、无线通信模块、电源模块组成。3.2多旋翼无人机的组装根据无人机的结构和设计，将无人机的各个部件组成一个整体，组装过程分为以下几个阶段[8]：3.2.1构想实物图用多旋翼无人机打开训练箱后，检查箱内零件的完整性，检查每个零件是否损坏。刀片、框架、三脚架等部分损坏的部件可以自行查找。对于没有表面异常的部件，应使用工具和测试方法。例如，可以使用万用表的蜂鸣器档来测试电调的质量。如果它发出声音，则为正常，否则为损坏。要检查电机的质量，可以将电机连接到无人机的常规电调并打开它。如果发动机在运转，则正常，否则损坏。最后，设计无人机的实物图，如零部件的摆放位置、附着方式、零部件之间的连接方式等，以减少后续装配中的拆装次数，提高装配效率。3.2.2调试飞控的部分功能部分Pixhawk飞行控制功能，例如加速度计校准和指南针校准，可以在没有机架安装的情况下执行。此外，当飞控安装在支架上时，在旋转校准过程中，各种电线很容易缠结。打开MissionPlanner，将Pixhawk飞行控制器连接到计算机，单击InitialSetup菜单，在Equipmentrequired下选择AccelerometerCalibration和Compass，然后按照说明完成校准。3.2.3焊接电调、电源通过将电调电源线和电源模块电源线焊接到分配器上，无需虚焊，外观尽可能完美。焊接后，用万用表检查焊点是否短路或开路。3.2.4组装机架、电池架、脚架将机架下板和三脚架固定在机架底板上，将GPS支架和飞控缓冲板安装到机架顶板上，然后将臂固定在顶板和底板之间，并拧紧螺丝。3.2.5安装电机，连接电调在臂端安装发动机支架后，安装发动机。从右前发动机开始，发动机的旋转方向为逆时针、顺时针、逆时针、顺时针。如果电机表面没有指示旋转方向，可以通过两种方式来判断：（1）电机旋转了整流罩的圆顶。如果旋转器的圆顶可以顺时针拧紧，电机将顺时针旋转，否则逆时针旋转。（2）查看桨叶上面的图标。如果图标是顺时针锁定和逆时针解锁，则安装刀片的电机将顺时针旋转，否则将逆时针旋转。安装好电机后，将电机连接到电调，如果电机的旋转方向与指示方向相反，则更换电调的任意2根线。3.2.6安装飞控、接收机、GPS将双面胶贴在飞控的四个角上，将其贴在飞控的缓冲板上，箭头指向机头。将接收器安装在飞控的一侧，将GPS安装在另一侧。接收机PPM端接飞控RCIN端，GPS线接飞控GPS口和CAN口，电源信号线接无人机POWER口控制器。飞控的SWITCH连接器和BUZZER连接器分别连接到安全开关和蜂鸣器。这样就完成了无人机的组装，如图3所示。图3组装完成的无人机4多旋翼无人机的调试无人机组装好后，开机调试。无人机调试包括固件安装、支柱选择、遥控器校准、电调校准、电机测试、飞行模式调整等。调试时不要安装螺旋桨，以免因无人机起飞造成不必要的损失。4.1安装固件，机架选型打开MissionPlanner软件，点击“InitialSetup”菜单，选择“InstallFirmware”，在右侧选择与已安装无人机对应的类型进行安装升级。此步骤在飞控未连接电脑时执行。然后，在MissionPlanner中的EquipmentRequired列中，单击RackType以选择适当的机架类型。4.2遥控器校准首先，遥控器和接收器配对。将配对线连接到接收机的通道B/VCC，按住遥控器左下角黑色配对键，再按POWER键，得到连接成功信息，然后设置遥控器。长按遥控器OK键进入系统界面，选择RX设置界面，然后选择PPM输出，设置为ON。最后，校准遥控器。点击MissionPlanner软件左侧栏的“遥控器校准”，点击右侧的“校准遥控”，然后将遥控器摇杆逆时针转动几圈，即可获得摇杆的最大值和最小值。校准完成后，单击完成。4.3电调校准将电调输出端子依次连接到飞控主输出端子1～4，将负极、正极、信号线从上到下连接好，再进行校准。首先关闭遥控器并拔掉无人机电源，打开遥控器并将油门杆调到最大，然后接通无人机电源，听到提示音后断开电源。然后再次开启无人机，等待蜂鸣声停止，按住安全按钮直到指示灯变为蓝色，将油门摇杆转到最低位置，蜂鸣声的次数将与电池电量相对应。最后关闭无人机电源，完成校准。4.4测试电机电机测试是为了确定电机是否按规定的方向旋转。（1）打开无人机，解锁遥控器，调整油门，用手触摸电机，（2）点击“配件”部分的“检查电机”。单击MissionPlanner软件的左栏，然后按照右侧的选项运行引擎测试。4.5飞行模式常见的飞行模式包括自稳定、定高、定点、悬停和返回。在MissionPlanner软件的Configuration/Debug菜单中，点击FlightMode，根据遥控器上开关对应的实际情况进行设置。5多旋翼无人机的飞行控制本章设计了多旋翼无人机飞行控制系统。该无人机主要由单片机模块、激光避障模块、电源模块、遥控模块、显示模式等部分组成，通过组装这些模块，实现无人机的智能控制。最后通过观察无人机在一定高度的飞行情况，调试无人机功能，进行功能测试，最终实现无人机飞行控制功能。5.1硬件系统设计5.1.1单片机最小系统选择单片机时要充分考虑实际需求，STM32F103C8T6系列相对便宜。STM32目前有32个内部Cortex-M3处理器。STM32电源管理不错，还有语音管理、指纹和面部识别模块。STM32应用有很多便利。STM32印刷电路板（PCB）对部分复用功能有显示功能，使电路板设计更加方便快捷。所有的ISO接口都允许中断输入，但是所有的ISO端口都满足“中断”请求，并且没有连接很多特殊的引脚，这从本质上简化了中断的设计。它们支持的ISO端口或PCB和测试。STM32保留了优异的性能，并显著降低了开发成本[9]。5.1.2激光避障模块高效安全的自主飞行是无人机在室内外飞行的关键，因此在设计无人机时能够独立避开障碍物就显得尤为重要，并根据获得的环境信息制定路线规划以避开障碍物。无人机导航模块主要用于通过安装在无人机上的外部传感器获取无人机的实时位置并绘制绘制区域的地图，将系统隔离到不妨碍任何障碍物的探测和探测。飞机的飞行路径计划由两部分组成。无人机可以使用障碍物检测模块检测障碍物，并计算障碍物与物体之间的距离信息。航路规划模块根据测量无人机距离和无人机间距离的相关信息，调整无人机的飞行距离和跑道，以避开无人机在空中遇到的障碍物。自主避障模块由图传模块开发。图像信息通过图传模块发送到避障系统，利用避障算法识别图像，了解周围空间。为了减少自主避障模块开发过程中图像识别的计算量和能耗，基于单极激光视觉系统与图像传输模块相结合，开发了独立的干涉检测系统。障碍物与物体的距离由物体表面检测到的激光点确定，计算矩形物体的运动距离，保证避障安全。5.1.3电源模块电源连接器使用POWER_JACK_3。AMS1117-3.3LMI084是一款直流控制器，可在3.3V频率范围内提供正向和储能输出。限流电路是多旋翼无人机的最佳选择[10]。图4电源模块电路设计图5.1.4信号传输模块为增加信号模块的通讯面积，通讯模块采用发射机+PA+LNA流程图。数据传输时，射频信号经内部功放放大，输出到外部合路电路，再通过天线送至外部功放芯片进行传输。接收到信息后，天线首先接收射频信号，并通过合适的网络通过低噪声外部放大器将其发送到发射机，发射机从该放大器接收有关载波的必要信息，并通过发射机内部放大。5.1.5主控电路主控芯片采用STM32F103C8T6，工作频率72MHz，主要用于数据帧格式转换、发送缓冲区管理和接口转换。图5主控电路图5.1.6遥控模块遥控器可以控制俯仰、横滚、自旋、电机以及水平速度、垂直俯仰和旋转。第三个摇杆控制云台的倾斜和旋转。遥控器还具有其他功能，例如启停按钮、一键式返回按钮和喷涂机启动按钮。此外，飞行控制系统的功能可以使用16位旋转开关进行调整。带2个USB端口。mini-USB接口用于与主机通信，USB-a接口用于连接手机[11]。5.1.7显示模块屏幕一定要能显示数据和图形，要注意液晶屏越大，耗电就越多。经过慎重考虑，最终选择了0.94英寸的OLED显示屏。显示器的功耗比较低，满足系统要求。图6显示模块电路设计图5.2软件系统设计5.2.1主程序流程设计通过遥控器控制无人机，可以实现无人机位置调整、高度控制、启停、积分返航、应用功能等特殊指令，如图7所示。图7遥控控制概念5.2.2低功耗设计在本文中，我们计划将操作系统实时交付给芯片，以进一步提升STM32芯片的性能。如图8所示，这允许飞机在没有命令的情况下进入待机模式。图8低功耗设计5.2.3计算机软件控制设计为了进一步提升和拓展无人机体验，我们目前正在开发基于安卓系统的移动设备应用，很多无人机用户都在使用，所以应用界面对于大部分用户来说已经足够了，无人机信息可以随时查看。并结合正在进行的这项新技术的计算机研究和开发，如图9所示。图9计算机软件控制流程5.3系统组装多旋翼无人机设计过程侧重于避障模块。真正的焊接是使用焊接工具和购买的电子零件完成的。多旋翼激光防干扰模块完成后，无人机模块用于：分析系统运行和防干扰模块电路图，规划系统电路焊接，准备整体焊接工作。激光传感器模块、电容、电阻、LED、插座、显示器、微控制器等微芯片按照模块设计和制造过程的电路图进行放置和焊接。如图10所示。图10焊接完成图显示屏在左下角，显示传感器检测到的障碍物距离，电源在左上角。通过数据线连接电源，模块即可工作。整体来看，模块布局合理，小巧轻便，适合各种场景。5.4功能调试5.4.1电路检查在放置硬件PCB之前，在不添加任何信号的情况下测试原理图。根据设计的硬件图，逐一检查板上的各个模块。使用标准板载电压密度计进行操作测试设置和芯片焊接。如果这些条件验证无误，就可以进行下一步上电调试。5.4.2通电测试对电路检查完成后，开始进行通电测试。第一步就是打开电路板。在测试运行期间，需要一个外部电源为电路板提供5V电压。上电后，检查电路板上是否有很大的噪音或气味，触摸屏温度是否正常，电路板上的指示灯是否亮。如果没有问题，可以进行下一步，测量IC电源电压表的电压值，以满足工作要求。准备就绪后，硬件板就可以使用了。5.4.3功能测试组装好的激光模块连接电源并在两个时间段后进行测试。结果如表1所示，电源接通状态如图8所示。表1测试结果表格项目屏幕显示警报鸣响工作状态距离地面高于一米Distance032cm无平稳距离地面低于一米Distance:50cm有平稳图11接通电源状态6设计总结本次无人机设计首先介绍了无人机相关基本知识，然后分析了无人机在飞