【某四旋翼无人飞行器系统的硬件设计案例分析6200字】

目录TOC\o"1-3"\h\u8730某四旋翼无人飞行器系统的硬件设计案例分析 1153571.1总体设计 112271.2主控电路 2201441.3传感电路 333351.4驱动电路 489871.2.1驱动电机 4158771.2.2辅助电路 593551.5通讯电路 779651.6其他电路 8269241.6.1电源电路 8207631.6.2滤波电路 8对四旋翼无人飞行器控制系统而言，硬件是基础组成部分之一，包括主控电路、传感电路、驱动电路、通信电路和其他电路五部分。首先，无人飞行器传感电路获取飞行数据；其次，主控器将飞行采集数据进行数据处理和数据解算；最后，将控制命令和控制数值输出为PWM控制信号，对电机进行实时控制，实现无人飞行器的姿态调节，与此同时响应无线通信模块的接收信号。1.1总体设计本文设计的总体控制系统包括了五个部：第一部分是主控制板，选择STM32类控制芯片作为系统控制中枢，连接各控制元件和结构组件，程序运行、数据处理、算法移植都是以控制芯片为主核单元，是硬件设计的核心内容；第二部分是数据采集板，该部分设计核心元器件是MEMS传感器，针对无人飞行器可以采用陀螺、气压计、加速度计等组合的IMU模块进行数据测量，同时该模块还能够对测量数据进行简单的修正滤波；第三部分是驱动板，采用的核心元器件是LMD18200驱动芯片，其主要功能是对系统核心驱动力进行有效控制，对四旋翼机架固定的单轴向电机进行数值变量计算，同时解析控制机构的反馈数据，是系统的响应实现端；第四部分是电源板，电源板采用的核心元器件是TP4059电源转换芯片，在整个系统中面向各控制系统进行供电处理；第五部分是电磁兼容性和抗干扰设计，针对整个系统控制过程中实施抗干扰和去噪声的电路处理，四旋翼无人飞行器硬件总体结构如图3-1所示。图3-SEQ图\*ARABIC\s11无人飞行器硬件总体结构示意图Fig.3-1SchematicdiagramoftheoverallstructureofthehardwareofUAV数据采集板核心元器件IMU内部配置的陀螺主要敏感X轴和Y轴两个轴向上的扰动信号，该扰动信号可采用总线面向的方式和STM32芯片通信，芯片与系统计算机之间通过串口进行通信实现指令收发、参数配置和固件升级。在飞行器运行时，控制芯片对采集的飞行数据进行处理，发出相应的控制指令，同时可以结合反馈算法进行数据精细化解析，通过TTL电平计算出PWM控制信号的输出量，该信号被直接输送到电机驱动模块LMD18200芯片中，经放大处理后能够实现电机的驱动，与此同时针对系统中产生的各类电信号可以采用控制芯片的数字IO管脚进行接收。1.2主控电路在四旋翼无人飞行器控制系统中，主控电路的作用是对飞行器运行过程中的传感数据进行采集和通信，获取数据之后面向姿态识别模块进行数据传输和姿态信息解算，同时将分析得出的姿态差传输到控制系统的主控电路中进行反馈计算，在控制输出末端实现电机驱动对飞行器姿态的实时调节。四旋翼无人飞行器控制系统在运行过程中会涉及外围设备的数据链路，系统姿态信息在接受下一次中断并返回有效数据时，需要保障当前数据帧的计算能够及时处理完毕，其次需要对芯片的封装尺寸进行考虑，为硬件系统设计提供便利。本文对主控芯片的使用要求如下所示：（1）通讯接口完备。作为核心控制芯片，需要为外围设备提供相应的总线接口，如SPI、UART等。（2）运算能力较强。四旋翼无人飞行器的控制过程较为复杂，需要实现数据的快速处理和响应，不仅需要控制芯片具备极强的运算能力，而且还要能够对控制信号进行快速输出，双向反应。（3）封装尺寸合适。同等功能适应情况下，芯片应尽量减小尺寸，提高控制质量，可减轻四旋翼无人飞行器的整体质量。（4）续航力强。为了保障无人飞行器的续航时间，各主要器件的耗电量需要保持在较小的数值区间内，尤其是主控芯片的功耗是主要考虑因素。（5）可靠性强。四旋翼无人飞行器运行时，需要和外部环境的风阻力和电磁干扰进行磨合，控制芯片可靠性强才能保障飞行器具备较好的稳定性。综上所述，本文选择STM32F4控制芯片作为主控电路核心芯片，该芯片作为一种微处理器，采取内核设计为，在运行过程中实际功耗较低，运行主频较高，配备单精度浮点运算，可大幅度提高数据计算精度。其内部配置的数据存储器为192KB，总线宽度为32位，通讯接口类型丰富。传感器模块是主控芯片的外部设备，两者之间需要通信总线接口进行数据互联；电机驱动模块主要和主控芯片的4路PWM端口连接；主控芯片的ADC通道可实现单元电池电量的检测链接；主控芯片的SWD调试接口可对系统固件烧录和软件调试进行接口匹配；同时为了对四旋翼无人飞行器进行低功耗设计，主控芯片采用阶段式唤醒功能。完成上述设计之后还需进一步进行功能扩展的相关设计[46-48]，STM32F4主控芯片的最小系统管脚连接示意图如图3-2所示。图3-SEQ图\*ARABIC\s12主控芯片的最小系统管脚连接示意图Fig.3-2Schematicdiagramofminimalsystempinconnectionofmasterchip1.3传感电路传统机械式和光学传感器具备较高的测量精度和灵敏度，运行稳定性较高，但缺点是成本较高，尺寸较大，质量较重，不适合应用于小型低功耗四旋翼民品无人飞行器。MEMS传感器是一种微型传感器，实现了信息采集、电路控制和执行器的小型化集成设计。传感器在四旋翼无人飞行器的运行过程中是作为飞行信息的获取源头，针对飞行的高度、供电情况、数据信息、位置信息等进行处理和输出，应选择体积、重量较小，定位精确且功耗较低的传感器[49]。本文选择了MPU9250作为无人飞行器的MEMS传感器，其本身是一种九轴向惯性测量单元，能够采集三轴向加速度信息、陀螺转动角速度信息和地磁信息。MPU9250元器件体积仅为3×3×2mm，在同一时刻能够保障九轴向对应数据的读取，实现数据信息采集时间一致。此外MPU9250内部配备了I2C和SPI两种接口模式，针对主控芯片外部配备可以采用I2C总线进行数据通信，同时，MPU9250内部嵌入了温度传感器[50]。由于四旋翼无人飞行器在主控制器上挂接了不同类型的数据接口设备，为了能够实现外接设备的有效控制和最小系统化要求，本文选择了I2C接口来实现MPU9250和主控芯片的通信，采用单工模式，系统的各项性能实现需要保障速率达到400K[51]。同时为了采集四旋翼无人飞行器的精确飞行高度，在MPU9250的I2C通路上加入了BMP280的气压计，通过气压计解析飞行器飞行高度，将高度信息进行数据转送反馈给主控芯片，此种设计法在不增加主控制器通讯端口的基础上，可以更多的获取无人飞行器数据信息，减小了主控制器数据采集复杂度，最大化的应用了MPU9250的芯片优势，MPU9250和BMP280的电路原理设计如图3-3所示。图3-SEQ图\*ARABIC\s13MPU9250和BMP280电路原理设计示意图Fig.3-3MPU9250andBMP280circuitprincipledesignschematicdiagram1.4驱动电路本文采用TTL电平的PWM波形信号进行功率驱动模块设计，本文在驱动模块内部设计了光电隔离器件，可有效避免系统数字电路受到功率电路的干扰。针对PWM模块的输出可以将其作为一种功率驱动电路的输入信号，即为回路控制指令，信号被电机驱动模块接收之后将进行适当处理，最终输出完整的控制信号实现电机驱动，整个过程采取脉宽调制功率的驱动方式。同时本文针对不同信号采取分层的布线方式，以此避免不同信号之间产生电磁干扰；针对电源地、信号地、视频地、大电流等各路信号分布之后在一点进行共地；高低电压在不同层面上进行分布，进而有效控制电源的互相干扰[52]。1.2.1驱动电机四旋翼无人飞行器控制系统主要由电机和电调两部分组成，两者配合后驱动螺旋桨转动，在空中的姿态完全由四个电机的转速决定，无刷电机在实际运用过程中具备较大的优势：较宽的调速范围能够实现无极变速调节，没有电刷因此在应用过程中产生的噪声相对较小，能够实现通畅运行，同时电机的体积和重量符合小型化无人飞行器结构设计，具有较长使用寿命。基于此本文最终选择了MT2213-920KV型无刷直流电机[53]。电调即为电子调速器，主控器在运行过程中对电极不会直接产生作用，其主要是对电机驱动电路进行控制后实现电机调控。系统中应用电调之后能够针对主控器的控制信号进行功率放大处理，在此基础上能够针对电机的转速进行控制，电机本身也能够获取足够的驱动电流，如果没有配置电调，无刷电机则不能直接运行，通过电调能够让无刷电机实现电子变向，进而对整个电路形成良好保护。本文针对主控制芯片选择的是LMD18200驱动芯片[54]，在具体设计过程中需要针对单端驱动电路进行详细设计，同时要从主控芯片上单独分出四个具体的执行输出接口，以此来实现对电压信号的传递，LMD18200驱动电路原理设计如图3-4所示。图3-SEQ图\*ARABIC\s14LMD18200驱动电路原理设计示意图Fig.3-4LMD18200drivercircuitprincipledesigndiagram根据上图分析可知，系统输入、输出端主要为引脚1、2、10、11，在本文设计过程中选择LMD18200作为驱动芯片的主要原因是该芯片能够面向电机控制方向进行配置，引脚3作为输入端，同时采用引脚4作为刹车输入端，并采用引脚5作为PWM信号输入端，采用引脚3、4的电平进行合理配置后实现控制，PWM的信号也可以通过引脚5和引脚3进行合理配置后实现，整个电机的响应控制也能够更加便捷。另外LMD18200在具体的应用过程中还配备了引脚8来实现电机取样信号的采集，在具体的控制过程中，针对电机的响应电流产生变化状况时，可及时采集后实现电气控制进度的进一步提升。1.2.2辅助电路（1）电流检测本文在原有设计中加入了电流检测设计，对于电流检测而言具备了敏感性和实时性两种属性，针对电机控制状态，电流充分采用驱动电极芯片的检测管脚来进行数据读取和检测，能够面向控制芯片实现电流信息反馈，与此同时可以按照特定的比例缩放对电流检测信号数据进行采集，在这种数据采集模式下能够对采集过程中放大效应导致的误差进行有效控制。通过组合后整个系统形成一个隔离放大电路，在此基础上针对系统中的各类电流信号实施线性放大，对电阻比例按照特定倍数进行配置，同时增加电容来有效避免因为电流增益不足而导致整个电路产生振荡[55]，电流检测信号放大原理设计如图3-5所示。图3-SEQ图\*ARABIC\s15电流检测信号放大原理设计图Fig.3-5Currentdetectionsignalamplificationprincipledesigndrawing（2）光耦隔离本文针对主控芯片实际所配置的控制管脚以及电机驱动采用了光耦隔离，其本质属于一种针对PWM控制端数据实施的隔离系统，重点对无源噪声以及干扰数据进行隔离，在本文的设计过程中整个光耦隔离电路的设计芯片采用6N317，与此同时该模块还能够实现对数字和模拟控制电地的有效隔离[56]，光耦隔离原理设计如图3-6所示。图3-SEQ图\*ARABIC\s16光耦隔离原理设计图Fig.3-6Designdrawingofoptocouplingisolationprinciple（3）电机连接本文针对无人飞行器的4个电机采用驱动方式实现控制输出，主控器提供的4路PWM输入到对应的HEAD输入端，同时将一个稳压二极管加入到电机控制电路中，如果电机在运行过程中出现了异状或在掉电的情况下导致了反向电动势的冲击作用，必然会对电极本身造成损坏，此时通过采用稳压二极管就能够对电极形成良好的保护，该二极管能够针对电流中产生的反向电动势进行消耗，针对整个控制器内部产生的驱动电流可以采用MOS管来实现放大处理，电机连接原理设计如图3-7所示。图3-SEQ图\*ARABIC\s17电机连接原理设计图Fig.3-7Schematicdesigndrawingofmotorconnection1.5通讯电路对于四旋翼无人飞行器的控制过程而言，必须保障地面站与无人飞行器之间的远程通信，本文采用无线通讯模块。由于飞行器本身体积和重量限制，因此要求无线通信模块尺寸也要尽可能小，同时应考虑无人飞行器的续航能力，需要将功耗控制在最低程度。目前应用比较广泛的主要有建立在LoRa基础上的无线通信技术，采用NB-IoT以及2.4GHz所构建的无线通信技术等。SEMTECH公司研发出的LoRa通讯技术，本身属于一种功耗较低的局域网技术，其运行过程中实际的工作频段有433M、915M两个，其最大优点是具有免费的特征，实际的功率消耗相对较低，在当前的地下矿井、智能超标等领域应用广泛。该技术的缺点是传输速率会受到限制，其他通讯设备容易对其运行产生干扰。在互联网技术快速发展的形势下进一步推出了NB-IoT无线通信技术，该技术能够对LoRa技术应用过程中体现出的不足进行弥补，极大改善了无线通讯效率，而且该通信技术在应用过程中对于通讯范围内其他通讯设备的干扰有极强抵抗力。但是其自身的功率消耗相对较高，另外NB-IoT技术在实际应用过程中需要得到地面基站支持，也不能充分保障数据的安全性。2.4GHz无线通信技术不仅具有相对更快的通讯速率，而且功率消耗较低，周边环境中的其他设备对其通信链路连接状况不会产生任何影响，体现出了极强的抗干扰能力，而且从总体层面来看完全能够满足四旋翼无人飞行器远程无线通信的综合要求。本文通过对通信功能的应用对比，最终选择了支持2.4GHz无线通信基带的NRF51822无线通讯模块，其本身功率消耗较低，而且在实际应用过程中针对远程遥控通信交互可以透传，进而能够实现飞行器与遥控器之间的指令传递。在设计过程中，为了保障信号的完整性和可靠性，本文在天线接收端加入了功率放大器RFX240和信号滤波器2450BMI，有利于放大无源天线接收信号，NRF51822模块的基本电路连接示意图如图3-8所示。图3-SEQ图\*ARABIC\s18无线通信模块原理设计图Fig.3-8Wirelesscommunicationmoduleprincipledesigndiagram1.6其他电路1.6.1电源电路电源管理模块的最主要作用是针对整个系统中各个模块实施供电，在此基础上针对各单元的电池电量进行及时监测。针对系统的充电选择的是TP4059芯片，充电过程中只连接USB接口即可完成，另外还配备了一个低压差线性稳压器XC6204，能够保障电压较低的情况下电池能够为各模块进行稳定供电，进而全面提升系统运行的可靠性，根据基本的电路原理图可以发现，系统中配备的两个XC6204可以分别面向STM32F4以及NRF51822模块实施供电，系统电池管理模块基本电路连接图如图3-9所示。图3-SEQ图\*ARABIC\s19电源模块原理设计图Fig.3-9Powermoduleprincipledesigndrawing1.6.2滤波电路本文在硬件设计中加入了滤波电路设计，首先需要对设备以外的无用电磁发射进行有效抑制，能够对整个环境中不会产生干扰其他设备运行的电磁信号；其次需要结合自身的功能需求来提升其抗干扰能力，并在电磁环境下能够实现正常运行。基于此，针对滤波实际应用情况可制定以下规则：（1）实现合理功能的同时进行良好接地；（2）尽可能选择抗噪声性能优越的元器件；（3）对电路板进行合理布局，同时要从走向和分布等两个层面来实现信号线和电源线的合理布置，采取更加合理的屏蔽措施。系统中配备的零部件采取导电氧化措施，并采用导电橡胶密封条来实现密封，通过这种布局方式能够对电磁形成有效屏蔽，这样在系统运行过程中各器件输出部分能有效避免受到电磁干扰的影响。在整个系统控制中最为核心的属于STM32芯片，在针对EMC进行具体设计的过程中需要采取以下一些措施：（1）对于整个系统的EMC性能来说各元器件的布局情况会产生直接影响，因此在进行EMC设计的过程中首先需要对元器件的合理布局状况进行考虑。（2）整个电路主要分为了核心处理器、外设接口以及模拟电路等三个主要部分。针对三部分主要采取的是集中布置方式，在布置过程中要对互相干扰问题进行充分考虑，重点针对数字和模拟电路互相之间的干扰给予高度关注。（3）STM32是本次