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四軸飛行器電路板設(shè)計開發(fā)
近年來，伴隨著無人技術(shù)的發(fā)展，多旋翼飛行器技術(shù)日益成熟，多旋翼飛行器不受起飛著陸場地限制，能垂直起降、空中懸停，能向任何一個方向靈活飛行等特點，使其被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。大疆等航拍飛行器的出現(xiàn)以及植保無人機的應(yīng)用更是將四軸飛行器技術(shù)帶入千家萬戶，越來越多的人接觸并應(yīng)用四軸飛行器。四軸飛行器技術(shù)的快速發(fā)展及應(yīng)用普及，使得無人飛行器飛手及維修維護人員的匱乏問題日益顯現(xiàn)。該文提出了一種微型四軸飛行器設(shè)計方案，該微型四軸飛行器采用STM32芯片作為主控芯片，以運動傳感器MPU6050作為姿態(tài)傳感器采集飛行器狀態(tài)信息，并通過2.4G無線通信模塊與遙控板進行通信，飛行器結(jié)合飛行狀態(tài)信息及接收的遙控信號，使用PID控制算法通過PWM方式驅(qū)動空心杯電機實現(xiàn)遙控控制。通過該微型四軸飛行器的設(shè)計制作，可以深入了解四軸飛行器的飛行控制原理，為四軸飛行器的應(yīng)用與開發(fā)奠定基礎(chǔ)。
一、四軸飛行器的結(jié)構(gòu)與原理
四軸飛行器屬于多旋翼飛行器，與直升機不同，它由4個旋翼組成，而且4個旋翼都是電機直連的簡單機構(gòu)，通過控制這4個旋翼的轉(zhuǎn)速，來實現(xiàn)飛行器的前進、后退、轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)等動作。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。如圖1，四軸飛行器主要包括：旋翼部分、飛行控制部分及機身3部分，其中旋翼固定在機架的4個軸的末端，為整個飛行器提供動力，它包括螺旋槳(正、反槳)、電機以及一些固定部件；飛行控制部分固定在機架的中心，用于飛行器姿態(tài)信息的處理及姿態(tài)控制，其中包括主控模塊、遙控接收模塊、傳感器模塊等；機架是飛行器的基礎(chǔ)平臺，旋翼模塊、飛行控制模、電源等都要安裝在機架上面。機架的大小直接決定了飛行器的大小，作為微型四軸飛行器，為了減小飛行器的體積及重量，一般采用一體化設(shè)計。
二、四軸飛行器硬件設(shè)計
四軸飛行器通過改變其4個螺旋槳的拉力的大小及方向可以實現(xiàn)前進、后退等簡單動作，要想實現(xiàn)飛行器的穩(wěn)定多姿態(tài)控制，則需通過姿態(tài)傳感器獲取信息，經(jīng)主控制器進一步運算處理實現(xiàn)?；谝陨显O(shè)計思路，該設(shè)計系統(tǒng)框圖如圖2所示。如圖2所示，該控制系統(tǒng)主要包括STM32主控制器、電源模塊、空心杯電機、通信模塊及傳感器模塊5部分。
（1）主控電路：主控制器，作為四軸飛行控制系統(tǒng)的核心，主要功能是接收遙控控制信號，將當(dāng)前飛行姿態(tài)信息與目標(biāo)姿態(tài)信息進行比較，通過控制算法，計算出各電機PWM脈沖占空比值輸出至電機，實現(xiàn)飛行控制。考慮到STM32學(xué)習(xí)的方便，該設(shè)計選用STM32F103作為主控芯片。
（2）傳感器模塊：傳感器模塊選用MPU6050傳感器作為姿態(tài)傳感器，用于測量飛行器的空間加速度與角速度信息，測量數(shù)據(jù)經(jīng)主控制器預(yù)算后，通過PWM控制各電機轉(zhuǎn)速，進而實現(xiàn)運動控制。
（3）通信模塊：要實現(xiàn)四軸飛行器的飛行遠(yuǎn)程控制，需要四軸飛行器和遙控端進行無線通信，考慮成本及設(shè)計的簡化，該設(shè)計采用NRF24L01作為無線通信模塊，設(shè)計制作四軸飛行器遙控終端。
（4）電源模塊：電源模塊為整個系統(tǒng)供電，該設(shè)計的電源模塊采用較為輕便的5 V小型鋰電池作為電源，經(jīng)LM1117-3.3V穩(wěn)壓電路實現(xiàn)微控制器、無線通訊模塊、傳感器模塊的供電。
三、四軸飛行器軟件設(shè)計
軟件設(shè)計作為四軸飛行器設(shè)計的重要組成部分，直接影響到飛行器飛行控制的穩(wěn)定與可靠。四軸飛行器的軟件設(shè)計主要由STM32主控制器的程序設(shè)計及遙控終端的程序設(shè)計兩部分組成。STM32主控制器主要功能是接收無線信號、處理傳感器信息及控制電機轉(zhuǎn)速，其處理流程首先是初始化無線通信模塊、傳感器模塊和電機，然后獲取姿態(tài)信息并對整個系統(tǒng)進行校準(zhǔn)，隨后進入待機狀態(tài)等待解鎖控制信號的傳入。主控制器采用定時器中斷的方式，在中斷中進行對時間的處理，每次中斷計次標(biāo)志就會自增，根據(jù)不同的中斷積累分別處理優(yōu)先級不同的任務(wù)。主控制器工作時每0.5 ms中斷一次，每次中斷都會檢查一次無線模塊數(shù)據(jù)的接收，確保飛控系統(tǒng)控制信息的實時性；每兩次中斷讀取一次傳感器模塊數(shù)據(jù)，獲取的數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波算法獲得較為準(zhǔn)確的飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)；每4次中斷(即2 ms)通過濾波算法獲取的姿態(tài)數(shù)據(jù)計算四軸飛行器的姿態(tài)，然后結(jié)合遙控終端的目標(biāo)姿態(tài)，根據(jù)兩者的差值通過PID控制算法計算出各電機PWM值，對各個電機進行調(diào)速控制。
該設(shè)計設(shè)計的遙控器，主要用于飛行器的簡單控制，遙控板將操作人員的操作動作轉(zhuǎn)化成信號傳給飛行控制板，實現(xiàn)飛行器的遠(yuǎn)程控制。
總結(jié)
該文設(shè)計實現(xiàn)一種微型四軸飛行器系統(tǒng)，該四軸飛行器采用STM32芯片作為控制芯片，以運動傳感器MPU6050作為姿態(tài)采集傳感器，通過2.4G無線模塊與遙控終端通信，并通過PID控制算法得出電機PWM驅(qū)動值來實現(xiàn)飛行控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，可用于初學(xué)者及愛好者入門體驗學(xué)習(xí)。
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