【《某四旋翼无人机硬件构成分析案例》3400字】

某四旋翼无人机硬件构成分析案例1.1四旋翼无人机基本构成四旋翼无人机的基本构成主要由三部分组成，分别为机械系统，动力系统以及控制系统。如下图所示。图3-1四旋翼无人机的机械系统四旋翼无人机的硬件机械系统主要是指其机架的部分，即用来安装搭载其各种硬件设备的平台。机架的好坏程度往往就可以决定无人机的使用寿命，四旋翼无人机的机架结构较为简单，主要由中心板，力臂和起落架组成。其中，中心板用来承载无人机飞行的控制系统，即PixHawk飞控以及电池和其它一些附加的设备；力臂则是在四旋翼无人机飞行时受力最大的部分，四个力臂以中心对称的结构分布在中心板的四个方向，这样可以保证飞行时无人机的受力均匀；起落架则有两个作用，一是将中心板部分与地面隔绝开，避免在一些有水的地形上影响到PixHawk飞控的电源部分，二是在降落时起落架能给无人机一个很好的保护作用，避免无人机中心板部分与地面磕碰将其损坏，起到了很好的缓冲作用。 四旋翼无人机的动力系统主要有无刷电机，电调（电子调速器），螺旋桨和锂电池四个部分。锂电池产生的直流电先供给到电调部分，电调可以将直流电转化成三相交流电再供给无刷电机，使无刷电机产生一个旋转磁场来驱动其转动，改变无刷电机中三条电源线任意两条的接线即可使电机产生反转。同时，改变对电调的输入电压可以间接地改变螺旋桨的转速，现在一般都是通过PWM波实现电压输出，可以通过软件调整PWM波的占空比达到改变电压的目的。螺旋桨是为无人机提供向上升力的主要部件，其高速转动时向下形成的压力差可以将整个无人机抬起。其中，螺旋桨也有正反的区别，可以通过其迎风面的受力进行区分，一般是在对角线方向上安装同方向的螺旋桨，因为旋翼要自旋调整方向，自旋是通过两对不同方向的螺旋桨的转速差产生内扭矩，如果不是对角线同向的话，转速差会使飞机左右或者前后摇摆。只有对角线同相，产生转速差时，即使升力不同，但升力的作用点不会变。 控制系统主要分为飞行控制系统，遥控器，地面站。飞行控制系统（飞控）又是无人机控制系统中最重要的部分，飞控的好坏直接决定了整个无人机在飞行时的稳定程度，是无人机控制中的大脑部分，通过飞控不仅可以实现无人机的遥控飞行，即半自主的飞行，也可以用过地面站规划飞行任务实现全自主的飞行。本次设计选择的飞控系统为PixHawk飞控，由于其高自由度的开源以及高性能且便宜等特点，PixHawk飞控也是很多无人机研究项目中的首选，其结构图如下。图3-2PixHawk飞行控制系统PixHawk飞控丰富的外设接口足以满足各种任务的需求，且其各接口的通信由于是开源的，所以市面上也很容易买到能够完美的兼容的各种传感器，用来实现不用的飞行任务，其基本工作原理图如下图所示。图3-3PixHawk基本工作原理图遥控器和地面站都可以对无人机的飞行达到直接控制的效果，使其完成一些特定的飞行动作或者是飞行任务。遥控器发出的命令可以由无人机上面的天线所接受，飞控系统接收到指令后将其解析并执行。地面站的控制一般需要通过外接数传设备，通过数传与无人机相连接，并且在向无人机传输命令和消息的同时也可以同步从无人机中接收数据，包括当前无人机的姿态信息以及GPS数据。1.2四旋翼无人机主要硬件模块1.2.1传感器模块 （1）MPU6000三轴加速度计/陀螺仪 MPU6000芯片内部由一个三轴的MEMS陀螺仪、三轴的MEMS加速度计一个可以拓展的数字运动处理器集成。其与外部模块的通信协议以IIC的形式实现。加速度计和陀螺仪测量的模拟量通过一个16位的ADC的转换成数字量便于传输和处理器进行分析。同时，陀螺仪和加速度计的测量范围用户可以自行控制，在不同的任务情况下可以自行选择不同的精度以适应任务的强度。其次，MPU6000芯片有一个1K的FIO，能够降低系统的功耗，还镶嵌了一个温度传感器和一个在工作环境下幅度变化很小的振荡器。MPU6000采用数字格式输出四元数，具有敏感度较好的三轴角速度感测器，不保留加速度器和陀螺仪之间的敏感度，这样可以降低设定带来的影响，减小感测器的漂移。 （2）LSM303D三轴加速度计/磁力计 LSM303D芯片内部由一个三轴的线性加速度传感器和一个三轴的数字磁力传感器集成，其中加速度计的可检测范围是±2g/士4g/土6g/士8g/士16g，磁力计可检测到的范围是±2gl14g/士8g/士12g。该芯片可通过I2C接口和SPI串口将内部加速度计和磁力计获取的传感器信息发送到外部接收模块，支持100KHZ的标准模式和400KHZ的快速模式35]。芯片的工作电压在2.2V~1.6V，工作温度需在-30摄氏度到85摄氏度之间。（3）MS5611高度气压计MS5611气压传感器是一款分辨率能够达到100mm的高精度气压传感器。它采用了SPI和I2C总线接口的方式，并且内部集成了一个高线性度的压力传感器和低功耗的24位模数转换器。为了提高转换速度同时优化电流消耗，MS5611高度气压计采用24位数字压力值和温度值以及不同的操作模式。该芯片通信协议简单，不需要在设备内部寄存器编程，与控制器连接方便。另外，MS5611气压计可以与定位模块协作和互补，共同实现无人机的准确定位。1.2.2供电模块在本次设计中，采用的供电模块主要是改进的电源模块和USB供电模块两种。其中电源模块如下图所示。图4-4电源模块这个电源模块是专门针对PIXHAWK飞控所设计的，焊接了一个稳压模块，具有电压检测功能，能够为飞控板提供稳定的5V电压供电。可以在地面站设置一个最低电压值，当四旋翼无人机在飞行过程中检测到的电压值小于设置的最低电压值，此时触发低压保护机制，按照原定路线返回降落。USB供电模块主要用于四旋翼无人机的遥控器和传感器校准、开发调试等，可以与电脑连接为飞控板供电，同时在地面站软件上完成校准和调试工作。USB供电模块原理图如下图所示。图4-5USB供电模块原理图从上图中可以看出USB供电模块能够为飞控提供5V的电压，飞控板和电脑之间可通过图中J301模块中的2和3号引脚进行数据传输,同时二者之间连接了一个NUF2042XV6芯片，它能够起到良好的静电保护作用。虽然USB供电模块也能够为飞控提供5V的工作电压，但仅仅能够作为无人机调试使用，没有支持电子调速器（ElectronicSpeedControl,ESC）正常工作的能力。1.2.3电机驱动模块电子调速器（ElectronicSpeedControl，ESC）简称电调，可以用来控制电机的转速来控制无人机的飞行动作和姿态。本设计拟采用国内HOBBYWING（好盈乐天）公司生产的XRotor系列多旋翼专用无刷电子调速器，它拥有多旋翼专用程序，能够满足多旋翼无人机的各种功能需求，同时具有专门针对盘式电机优化的固件，兼容性十分出色。它使用同步整流的DEO(DrivingEfficiencyOptimization)驱动技术，在提升油门响应速度，增强多旋翼无人机稳定性和灵活性的同时，还可以降低电调温度，减少电调发热对无人机造成的影响。另外，它使用双绞线作为油门信号线，能够有效降低信号在铜线内传输所产生的干扰，使飞行更加稳定。它在普通油门模式下最高可支持刷新率高达500Hz的油门信号，并且兼容各种飞控，下图是电子调速器与马达和电池之间的接线图。图3-6电子调速器接线图1.2.4定位模块GPS(GlobalPositioningSystem)即全球定位系统，是一种基于卫星的定位系统，主要用于定位无人机，辅助实现无人机按预定航线飞行、定点降落等功能。本次设计拟采用有瑞士u-blox公司生产的NEO系列高精度定位模块，提供精准定位、自动返航、智能方向控制等功能。在GPS模式下，可以锁定经纬度和高度精确悬停，哪怕是遇到风力较大的情况，也可以在小范围内稳定地悬停。此次设计选用的M8NGPS相较于以往的版本，具有功耗更小、精度更高、搜星速度更快且数量更多等优点，其定位的极限精度可以达到0.5米左右，极限返航精度也有40cm。最重要的是其完全适用于本次选用的PixHawk飞控。其模块图如下。图3-7M8NGPS模块1.2.5通信模块（1）遥控器模块此次无人机实验的遥控器选型是深圳乐迪电子有限公司生产的AT9SPRO版本搭配其R12DS接收机一起使用。乐迪电子是业内首家实现DSSS&FHSS混合双扩频技术的公司，将遥控器的稳定性以及抗干扰的特定进一步的提升。同时搭配带有双天线12通道的接收机，SBUS&PWM双信号输出，实现全角度的信号覆盖，哪怕是在易于影响到无线电信号传输的丘陵地带都能保证很好的信号发送与接收。同时，遥控器中的发射机采用低噪音高增益的电路板天线，实现最远4公里的远距离稳定控制，这个距离也完全可以满足航拍与后续开发的需要。搭载在飞控上的接收机也可以实时回传经纬度、速度、距离、星数等信息，实现对无人机状态更高的掌握。遥控器与接收器图如下。图3-8AT9SPRO遥控器图3-8R12DS12通道接收机（2）数传模块数据传输模块（数传）的作用在于通过无线的方式连接地面站