【《四旋翼无人机的控制系统硬件设计案例》3400字】

四旋翼无人机的控制系统硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u9742四旋翼无人机的控制系统硬件设计案例 128918第1章四旋翼无人机结构选型设计 1201681.1四旋翼无人机的基本构成 1132871.2机架 367121.2.1机身 3127761.2.2起落架 4102091.3动力系统的选择 5307311.1.1电池 5301381.1.2电子调速器 6258141.1.3电机和螺旋桨 61783第2章四旋翼无人机飞控系统硬件设计 967602.1飞行控制板设计 9140592.2姿态传感器模块 10286332.3遥控器和接收机 12116762.4数据传输模块 13第1章四旋翼无人机结构选型设计1.1四旋翼无人机的基本构成四旋翼飞行器主要由飞控系统，机架和动力系统等组成，有时为了满足实际飞行，需要减震板和云相机拍摄系统。以下几个部分组成。如图（19）所示.图19四旋翼无人机系统1.2机架机架作为无人机控制系统的飞行载体，由减震架，起落架和机身构成。当无人机搭载拍摄云系统，需要有效控制无人机的颤动，使飞行和相机的拍摄平稳所以需要加减震器，可将减震器看成机架本身的一部分。机架一般使用强度较高，质量相对较轻的材料。1.2.1机身多旋翼无人机的机身由于要承载各种飞行控制的零部件和设备，所以对于无人机具有至关重要的作用。同时需要考虑无人机的机身布局是否合理，因为无人机对机身本身的重量要求非常严格，而且，无人机所能产生的最大压力是由机身的轴数和轴距所决定的，所以应根据不同的要求选择合适的机身。当我们设计一个高性能的多旋翼无人机时要首先考虑无人机机身的重量，除此之外，也要综合考虑价格，材料和大小尺寸等多种因素。表1是常用材料的主要参数。材料碳纤维铝合金玻璃钢聚碳酸酯丙烯酸塑料密度（g/cm2）1.762.11.51.21.17弹性模量(Gpa)20070722.321.5抗拉强度(MPa)3503701306379成本（10最低）15688加工（10最高）36767表SEQ表\*ARABIC1各种材料性能表由上表可以得到碳纤维材料具有加工简单，质量轻，抗拉强度大。但唯一不足的地方是价格昂贵，所以对于一些性能要求比较高的无人机大部分都是选用碳纤维材料。如大疆高端系列无人机大疆经纬系列。但是对于一般无人机科技爱好者来说由于考虑到成本问题常常选用塑料机身代替。多旋翼无人机两相对电机轴之间的距离称为无人机的轴距，而无人机的整体尺寸就是由无人机的轴距决定的。同时无人机的轴距对无人机的性能也有很大影响，当无人机的轴距相对较小时无人机就越灵敏，同时易受到外界干扰。当无人机的轴距较大时不易受到外界的干扰，但是无人机就会变得迟钝。所以无人机的轴距应该根据我们对于无人机的性能要求来确定。通过综合考虑了机架的价格，轴距，材料性能等，本次设计选择大疆F330型号的机架如图20。这款型号的机架马达轴距为330mm，机架重量为143g同时层板为沉金PCB，可以直接焊接电调。同时具有质量轻，价格低等优势。所以深受无人机科技爱好者的欢迎。图20F330机架1.2.2起落架图21为起落架，可以与F330机架相适配，起落架作为无人机的支撑架，对无人机硬件起到很好的保护作用。无人机的起落架有收放式和固定式两种，常见的是固定式的起落架。下面介绍无人机起落架的具体作用：1、无人机起落架使的无人机和地面保持距离，防止螺旋桨在高速运转时因撞到地面而损坏。2、无人机的起落架具有支撑作用，可以保持机身的平衡。3、无人机的起落架具有缓震和缓冲的作用。减小对无人机的损害。4、若无人机搭载云拍摄系统，无人机的起落架可以保护拍摄云台和摄像头。图21无人机起落架1.3动力系统的选择在四旋翼飞行器中，电动机，电子调速器，螺旋桨，和航模专用锂离子电池等组成了无人机的动力系统。无人机动力系统的合理搭配会对四旋翼无人机的性能有很大影响。如持续飞行时间，最大飞行速度，飞行里程等参数。1.1.1电池电池的作用是将化学能转化为电能，需要为无人机的动力系统和其他的设备供电，由于科研人员对电池储能技术的深入研究，多旋翼无人机不在使用传统的镍镉电池，而选择锂离子电池为无人机提供能量。锂离子电池与以前使用的航模电池可以储存更多的能量。因此可以减轻无人机的自身重量，提高无人机的飞行速度和无人机的续航能力。目前大部分的无人机都选择了质量较轻的锂离子电池（见图22），本次设计选用了3S25C的电池为无人机的飞行提供能量，3S的意思是三个锂电池以串联的方式连接在一起，25C表示放电倍率图22航模专用锂离子电池1.1.2电子调速器电子调速器分为有刷电子调速器和无刷电子调速器两种。在多旋翼飞行器中使用的是直流无刷电动机如图（23）所示，可以输出供直流无刷电机直接使用的三相交流电。电子调速器的主要功能是控制电动机和调控速度。图23电子调速器1.1.3电机和螺旋桨电动机可以为多旋翼无人机提供动力，并且通过调节转速来控制无人机的飞行姿态，同时无人机的载重能力与电机转速快慢有关，可以通过控制无人机电机的转速大小来改变无人机的姿态。多旋翼飞行器常选择直流无刷电机，这种电机质量轻，并能提供足够强劲的动力。直流无刷电机结构比较简单，由定子和转子组成。螺旋桨的材料有塑料，木头和碳纤维等几种材料，属于消耗品易损坏。螺旋桨是为无人机提供动力的最后环节，对无人机的重要性不言而喻。螺旋桨通过旋转会产生作用力，这个作用力可以使无人机得以飞行。螺旋桨和电机的适配度会对无人机的续航能力和飞行速度有很大的影响。所以多旋翼飞行器选择螺旋桨时，很大程度上取决于使用的电动机和机身的尺寸。在给定的转速下，较大的螺旋桨能够产生较大的拉力，较小的螺旋桨在相同转速下旋转产生的拉力也较小。因此，通常情况下，为了使多旋翼飞行器能够获得最高的效率，应尽可能使用最大的螺旋桨。根据经验公式的得：450mm轴距的机架常常选择长度为23.4cm的螺旋桨;500mm轴距的机架常常选择长度为27.94cm的螺旋桨;550mm轴距的机架常常选择长度为30.48cm的螺旋桨。本次设计选用了郎宇2212电机（见图24）和1155螺旋桨即长度为11英寸，螺距为3.5英寸（见图25）。图24郎宇无刷电机图251155螺旋桨第2章四旋翼无人机飞控系统硬件设计四旋翼无人机的飞行控制系统如图26。这里研发四旋翼飞行器系统的硬件主要由地面控制板和飞行控制板两部分组成。PC.上位机和遥控器的控制信号经地面控制板处理后,再通过nRF无线模块与飞行控制板进行无线通信。图26四旋翼无人机飞控系统组成2.1飞行控制板设计飞行控制系统可视为多旋翼飞行器的大脑，它处理所有采集到的信息并发送相关的指令给电动机和控制界面，以执行特定的动作。2.1.1核心板选型核心板的作用有：1、通过控制飞行控制板PWM的占空比，调节4个电机的转速来操控无人机的运动。2、飞行器传感器数据采集及处理，包括六轴传感器的姿态数据、超声波模块测量的高度数据、光流传感器的位移数据。3、与地面控制板的交互通信，接收地面控制站发送来的遥控器数据以及其他控制命令,同时向地面站反馈自身各项状态数据。本次设计的主控芯片选择STM32F407。如图27所示。图27STM32F407核心板2.2姿态传感器模块控制四旋翼飞行器的姿态是飞行器控制的核心，按姿态控制的功能模块划分，常用的模块有加速度计、磁力计和气压计等。随着微机电技术的发展以及制造加工的微型化，所以把陀螺仪、加速度计、磁力计都集成在一个模块上，一是使用方便;二是采集的数据更加稳定。某些特殊的场合,使用专门的加速度计，磁强计和气压计等。现在四轴飞行器控制大部分都采用集成度较高的器件了,MPU6050和MPU9250是近年使用频率较高的两款器件,就是常说的6轴和9轴。MPU9250是MPU6050的升级版本。无人机的姿态传感器选择GY86模块如图28，由于GY86总共集成姿态传感器MPU6050、磁场强度传感器HMC5883L、气压传感器HS5611三种传感器。MPU6050的坐标及方向如图29所示。此模块因为结构比较紧凑所以体积和质量相对较小，同时集成的传感器的精度相对较高。MPU6050、HMC5883L、HS5611与STM32的接线图如图30、31、32所示。图28GY86模块图29MPU6050传感器的坐标及方向图30MPU6050接线图31HMC5883L接线图32MS5611接线2.3遥控器和接收机由于2.

4GHz频段是免费的，所以无人机的遥控器常选择这个频段，目前常用的遥控器品牌有乐迪，JR和天地飞等，这些遥控器具有操控距离远，传递信息相对比较可靠，通过控制遥控器，信号可以通过无线或通过有线传递到地面基站，经地面站处理将PPM信号并解析成真正的遥控数据，从而达到操控四旋翼飞行器的目的。接收机通过和遥控器对频而形成配对，同时将接收机安装在四旋翼无人机上用来接收信号。本次设计选用了天地飞遥控器如图33，同时与WFR07S接收器如图34相配合。图33天地飞遥控器图34WFR07S接收器2.4数据传输模块由于无人