【某四旋翼无人机的硬件设计案例分析3100字】

某四旋翼无人机的硬件设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u28602某四旋翼无人机的硬件设计案例分析 1211261.1硬件系统总体设计分析 1153041.2硬件系统主要元件选型 239671.3飞控系统硬件电路分析 3226761.3.1STM32F103最小系统电路 362981.3.2电源电路 338171.3.3MPU6050陀螺仪控制电路 4123551.3.4NRF24L01无线通讯电路 423231.3.5电机驱动及指示灯电路 5110061.3.6摇杆控制电路 557311.4四旋翼无人机实物及测试结果分析 6239691.4.1四旋翼无人机制作实物 6186301.4.2四旋翼无人机测试结果分析 7硬件系统总体设计分析四旋翼无人机一般设计为均匀对称分布，基本分为“X”型和“十”字型两种。其四个电机和桨叶分布在四个顶角上，主控制器和测量通信设备一般归置于四旋翼无人机的中央；各个设备模块为了保证四旋翼无人机的飞行平衡和稳定，也要进行合理的布局和重量分配，对动力驱动系统要根据四旋翼无人机自身的重量进行合理的选择和设计，使其能够产生足够的升力；同时减少不必要的设备模块，可以降低四旋翼无人机的功耗，达到增强续航能力的目的。为了后期的改进和调整，可以为四旋翼无人机预留一些I/O口和空闲位置等资源，提高硬件的兼容性和调整能力。经过以上分析，可以认为一套健全的四旋翼无人机硬件系统应该包括以下几个部分：飞行主控制器系统动力驱动系统姿态感知测量系统遥控及无线通信系统电源系统本文研究的四旋翼飞行器使用四个直流空心杯电动机驱动螺旋桨，系统结构如图5.1所示。图5.1四旋翼无人机硬件系统结构图硬件系统主要元件选型经过分析了解到，若要保证四旋翼无人机在飞行过程中能够对指令和姿态控制快速地做出响应，必须要选取性能较高、处理速度较快的微控制器作为主控芯片。这里我们选用ST公司的STM32F1系列中的STM32F103C8T6型号32位MCU作为主控芯片，兼具处理速度快、功耗小和价格低廉，完全满足有较高控制要求的系统。它主要作用是完成通讯、传感器数据的测量及计算及对驱动设备等的实时控制。本设计制作的四旋翼无人机结构较为简单，体积小，因此在动力驱动选择方面，使用了空心杯电机。它在结构上为无铁芯转子，这与常规电机的转子构造有所不同，因此得名空心杯电机。这种与众不同的结构省去了铁芯在磁场中产生的铁损，同时使得电机更加轻盈小巧。相比常规的带铁芯的电机，空心杯电机不仅大大降低了能耗，同时拥有极好的控制和拖动性能。在姿态感知测量方面，使用了加速度陀螺仪模块，它同时拥有位置和姿态测量元件，是世界上第一款集合了六轴运动的姿态处理元件，与传统的多组件设计不同，这种设计消除了加速度和陀螺仪测量之间存在的时间差，同时使得其体积更加小巧。它采用IIC通信协议，线路少，使用方便，其传输速率最高可达400kHz。飞控系统硬件电路分析STM32F103最小系统电路最小系统电路包含主控芯片、复位电路及晶振电路三部分。四旋翼无人机所选用的STM32F103C8T6主控芯片有48引脚，其中输入/输出引脚为37个，包含串口通信、IIC通信、SPI通信、ADDC、PWM等常用功能。复位电路在RST引脚与3.3V电源之间接了一个10K的上拉电阻，起电平钳位作用和限流作用，由于复位需要一定的延时时间才起作用，在RST引脚和地之间加一颗电容可解决这一问题。晶振电路选取了的晶振，而STM32F103C8T6的工作频率为，的晶振要经过锁相环倍频之后才可以达到工作频率要求。图5.2STM32F103最小系统电路图电源电路本设计使用的外部电源为3.7V的锂电池，则在电源电路的VBAT引脚上接入的电压为3.7V，但在实际硬件电路中要高于或低于此电压，因此要通过升压将VCC引脚接入4.2V的正常工作电压，同时升压使其他设备获得5V的电压；通过降压使通信模块等接入3.3V。通过升/降压使系统的所有模块均正常工作。图5.3电源升/降压电路图MPU6050陀螺仪控制电路四旋翼无人机的姿态检测使用MPU6050六轴陀螺仪模块，它可以测量三轴陀螺仪和三轴加速度，即可以获得三维空间X、Y、Z轴的角速度和加速度。其采用IIC通信协议，正常供电电压为3.3V，通过INT引脚使用中断的方式获取数据。图5.4MPU6050陀螺仪控制电路图NRF24L01无线通讯电路本设计遥控手柄与四旋翼无人机之间的通信控制使用无线通讯模块。该模块共有8个引脚，工作电压为，使用通信协议，其中为时钟线，为通信提供时钟信号；CE为模式选择端口，有接收和发送两种；CSN为片选端口；为主机输出从机输入端口（即发送端），为主机输入从机输出端口（即接收端）；NRFIRQ引脚为中断服务请求端口。图5.5NRF24L01无线通讯电路图电机驱动及指示灯电路电机驱动控制及LED指示灯电路如图5.6所示，四个LED指示灯接入了4.2V的电路工作电压，1K电阻的作用是限流限压，防止二极管被烧坏。电机驱动控制电路直接接入了外部电源电压，保证了电机能获得足够的电流，电机调速采用技术，通过对高频电压占空比的调节，获得期望转速。图5.6电机驱动及指示灯电路图摇杆控制电路摇杆控制电路相对比较简单，其原理是测量电位器在不同位置时的电阻值来获得摇杆的控制位置。对于左边的姿态控制摇杆，分为X、Y两个轴向，两个轴分别使用两路ADC对摇杆的电阻值进行测量，首先电阻值以模拟量电压的形式测量出来，然后转换成数字量表示。对于右边的油门杆，在图中也有两个轴向，但实际上只测量了Y轴电阻值作为油门大小的控制，其设计两个轴向的原因是某些操作手惯用左手，与常人惯用右手相反，因此其姿态控制和油门控制摇杆的位置相反，方便操作。图5.7摇杆控制电路图四旋翼无人机实物及测试结果分析四旋翼无人机制作实物如图5.4.1.1所示，四旋翼无人机机身主要包括中央的主控芯片，4个直流空心杯电机及其桨叶和保护架，主控芯片下方的陀螺仪传感器，机身尾部的无线接收模块和放置在机身底部的3.7V锂电池构成。机身的所有模块均集成设计在一块电路板上，减少了线路松动的隐患，同时使机身更加简洁美观。图5.8四旋翼无人机机身四旋翼无人机摇杆如图5.9所示，摇杆主要包括中央的STM32F103主控芯片，两侧的摇杆控制电位器，主控芯片下方的蜂鸣器，左下方的微调按钮（姿态微调），摇杆上方的NRF24L01发射模块和放置在摇杆底部的3.7V锂电池构成。摇杆的所有模块也是集成设计在一块电路板上，方便操控。图5.9四旋翼无人机摇杆四旋翼无人机测试结果分析将四旋翼无人机固定在调试架上，如图5.10所示。四旋翼固定在左边的单杠二维空间，依次对四旋翼无人机的三个姿态角进行扰动测试，测试完毕后再将四旋翼无人机固定在右边的万向调节平台上进行综合的三维空间试飞，查看是否达到四旋翼无人机飞行要求。图5.10调试架固定四旋翼无人机将四旋翼的机头（或机尾）面对调试者，然后固定在二维调试架上进行俯仰角的调试，分别将常规PID和模糊PID控制算法烧录入四旋翼无人机的主控芯片，给四旋翼无人机一定扰动（倾角），并使用ANOTC匿名科创地面站串口软件（一个专门用于实时显示四旋翼无人机的姿态数据兼有写入PID控制参数实现调试功能的APP）查看俯仰角的实时数据波形；同理，对施加基本相同干扰后的横滚角和偏航角也使用地面站串口软件查看其输出响应波形，两种控制算法的输出结果如图5.11~5.16所示。图5.11常规PID俯仰角输出波形图5.12模糊PID俯仰角输出波形图5.13常规PID横滚角输出波形图5.14模糊PID横滚角输出波形图5.15常规PID偏航角输出波形图5.16模糊PID偏航角输出波形根据四旋翼在倾角干扰下的输出波形图，可以得到俯仰角、横滚角和偏航角的常规PID的动态性能及模糊PID的动态性能，如表5.1所示。表5.1常规PID和模糊PID的性能指标控制算法坐标角常规PID俯仰角0.1350.1880.4452.3横滚角0.0880.1880.57610.5偏航角//0.821/模糊PID俯仰角0.1670.1970.3270.33横滚角0.1210.1540.4152.5偏航角//0.591/由上述图表可知，四旋翼无人机使用模糊PID控制相比传统PID控制而言，俯仰角和横滚角受到一定的倾角干扰后其响应输出的上升时间基本不变，但其超调量明显减小；模糊PID控制算法的调节时间相比常规PID控制算