四旋翼飞行器控制系统硬件电路设计

1、四旋翼飞行器控制系统硬件电路设计摘要：本文基于四旋翼飞行器的工作原理和性能特点 设计了飞行器控制系统的硬件电路。系统包含微控制器模块 姿态测量模块、无线通讯模块、遥控器模块、电机驱动模块。 系统能够为传感器参数测量、控制算法实现、无线通信等提 供硬件平台，功耗低、可靠性高。实验结果表明，本系统能 够稳定、可靠运行。本文网络版地址：http: HYPERLINK /article/283524.htm /article/283524.htm关键词：四旋翼飞行器；STM32；无线通信；电机驱动DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2015.11.012引言四旋翼飞行器是一种具

2、有 6 个自由度和 4 个控制输入的 可垂直起降、悬停、前飞、侧飞和倒飞的无人驾驶飞行器， 4 只旋翼可相互抵消反扭力矩，不需要专门的反扭矩桨。被 广泛应用于无人侦察、森林防火、灾情监测、城市巡逻等领 域。飞行控制系统是四旋翼飞行器的核心部分，其性能的好 坏决定了整个系统的性能。近年来，微小型四旋翼无人机的 自主飞行控制得到了研究人员的广泛关注。随着计算机技术 和电子技术的发展，国内的小型飞行器研究开发工作逐渐升 温，许多公司形成了产业。例如大疆公司将四轴飞行器等多 轴飞行器实现了商业化应用。国内研究的重点主要为三个方 面：姿态控制、传感器技术发展以及新材料的应用、电池领 域技术的研究。典型代

3、表有哈工大、北京航空航天大学、南 京航空航天大学、国防科技大学等。在控制算法上，先进 PID 控制得到广泛应用。本文以ARM Cortex -M3架构的STM32C8T6作为飞行器控 制处理器，以 MPU-6050 作为飞行器的姿态传感器，以低功 耗 2.4GHz 的 nRF24L01 作为无线传输器件，以 HC-RS04 超声 波作为障碍物报警传感器设计系统硬件电路。经过实验调试 硬件系统能够稳定、可靠运行。系统总体结构设计物理结构设计四旋翼飞行器由一个十字支架和四个螺旋桨组成，支架 中间安放飞行控制处理器及外部设备，四个螺旋桨半径和角 度相同，呈左、右、前、后四个方向两两对称排列。四个电

4、机对称安装在支架端，其中，电机 1 和电机 3 逆时针旋转， 电机 2 和电机 4 顺时针旋转，通过改变四个电机的转速来控 制电机的运行状态。其结构形式如图 1 所示。工作原理四旋翼飞行器在工作时，是通过电机调速系统对四个电 机的转速进行调节，以实现升力的不同变化，从而控制飞行 器的运行状态。飞行器的电机 1 和电机 3 呈逆时针旋转，电 机 2 和电机 4 呈顺时针旋转，此时飞行器的陀螺效应和空气 扭矩效应均被抵消，从而保证飞行器能够平衡稳定的飞行。 通过适当地改变电机的转速，来控制飞行器的飞行状态。飞行器控制系统总体系统设计飞行控制系统分为地面和机载两部分，其在物理上是彼 此单独的，在逻辑

5、上是彼此相连的。地面部分又分为地面站 部分和遥控器部分，这两部分相互独立。整个飞行控制系统 由微控制器模块、无线模块、电机驱动模块、姿态测量模块、 高度测量模块、报警电路模块、地面站和遥控器等部分组成。 系统总体框图如图 2所示。系统主要功能模块硬件电路设计2.1 微控制器模块本控制系统是一个多输入多输出系统，控制模块的主要 输入信号有各个传感器的测量数据，输出信号为四路变脉宽 电机控制信号，需要多个定时/计数器控制信号脉宽。系统需 要处理很多传感器传来的数据，并且需要将数据送回地面系 统，需要实时控制，响应速度必须要快。此外，本系统传感 器的接口多样化，需要更多样的接口才能便于软件读取。基

6、于这些需求，本设计中飞行器微处理器模块选用 ARMCortex -M3内核的STM32F103C8T6，它的时钟频率可以达到 72MHz，并且拥有IIC总线接口、JTAG接口、SPI接口、AD 采集接口、多路 PWM 输出和多个串口，便于多样化传感器 的挂接和程序的下载与调试。此微控制器具有 8 个定时器， 对于信号采集和 PWM 输出均能满足。2.2 姿态测量模块四旋翼飞行器受电机振动和外界干扰影响较大，精确数 学模型建立较难，且其载重有限，一般以惯性器件作为姿态 测量装置，姿态测量部件是整个硬件系统的重要部分。本设 计综合考虑硬件设计原则，采用MPU-6050作为飞行器的姿 态传感器。MP

7、U-6050通过IIC协议接口进行通讯，只需要将 MPU-6050的SDA数据线和SCL时钟线与STM32通用I/O 口 相连接，其电路如图3所示。为了稳定输出，避免空闲总线 开漏，利用 R2 与 R3 作为 SDA 和 SCL 的上拉电阻，提高总线 的负载能力。电路中 C9 为数字供电电压滤波电容， C8 为校 准滤波电容， C10 为电荷泵电容， C11 为供电电压滤波电容。2.3 无线通讯模块系统在这三个方面需要无线通讯：首先需要将遥控器的 信号通过无线模块发送出去。其次，地面站需要接收飞控端 的姿态数据，并需要发送控制参数。最后，在飞控端需要接 收遥控器和地面站的数据。结合通讯距离，成

8、本等因素，本 设计选用nRF24L01无线模块器件。其发射电路可以通过LC 振荡电路构成。为了便于维修，利用接口将无线模块独立出 来。2.3.1 遥控器模块本设计采用摇杆控制方式，利用数一模转换器将摇杆的 模拟量转化为数字量，再将转化后的数字信号传递给小型控 制器，经过一定的数据处理，通过无线发射出去，供飞行器 控制器接收利用。采用 nRF24L01 作为遥控器的无线发射器 件，为了便于数-模转换，遥控器摇杆采用摇杆电位器，通过 采集电位器的电压值去衡量遥控的行程量；由于遥控器处理 信号单一，不需要高速的处理器，采用 8位的51单片机 STC89CS2RC 作为遥控器的控制器，用来采集摇杆的模

9、拟信号 和发送采集到的数据。采用PCF8591作为数据获取器件，其 含有4路模拟量输入,1路模拟量输出，属于标准的IIC通讯， 能够满足本设计要求。遥控器硬件电路如图4所示。2.3.2 地面站模块飞行器地面站主要完成以下两个方面的功能：（1）在飞 行器稳定飞行时检测飞行器的飞行状态，传递控制参数给飞 行器，使其按照控制算法运行；（2）在飞行器调试阶段，完 成飞行器PID参数的修改和调整。由于PC机一般留给用户操 作的多为USB接口，然而nRF24L01通讯接口为SPI接口，本 设计选用 51 单片机读取 nRF24L01 的数据，继续由单片机将 数据通过USB转串口芯片与PC机通讯，完成地面站

10、数据的 传输功能。2.4 电机驱动模块2.4.1 电机驱动原理本设计选用直流无刷电机作为飞行器的动力驱动设备。 根据无刷直流电机的换向原则，无刷直流电机的控制形式分 为：开环控制、转速负反馈控制和电压反馈加电流正反馈控 制。其中，开环控制无反馈进行校对，应用于转速精度要求 不高的场所：转速负反馈控制的机械性能好：电压反馈加电 流正反馈控制一般应用在动态性能要求高的场合。针对本设 计来说.需要实时调整电机的转速，并且调速频率比较大，所 以在本设计中采用电压反馈加电流正反馈控制方法。2.4.2 电机驱动电路设计根据电机控制原理，本设计将电机驱动电路划分为三个 部分：微处理器、反电动势检测和功率驱动

11、部分。（1）微处理器由于无刷直流电机的换向频率比较高，不宜使用低频率 的处理器，再加上电机的旋转会产生旋转的磁场，对处理器 有很大的干扰。通过比较，本设计采用 ATMEGA8 单片机作 为电机驱动微处理器。f2）反电动势检测在换向的过程中，需要不停地检测转子的位置，通过转 子产生的反电动势就可以知道转子的位置信息，通过分压衰 减原理，检测电机三相反电动势电压相对中性点的电压，从 而确定转子的位置。反电动势检测电路如图S所示。其中，A、B、C端子为电机三相电压，R33R38为分压 电阻，P-A、P-B、P-C分别三相反电动势对应电压，P-M为中 性点电压。（3）功率驱动 功率驱动是为了给电机提供

12、大的电流，使其达到能够稳 定运行的目的，本设计采用并联 MOS 管提高输出的电流， 在每一相上桥臂并联3个P沟道MOS管，达到三相全桥可 控的目的,在每一相的下桥臂上也并联3个N沟道MOS管。硬件系统调试PWM 控制飞行器驱动电机调试通过对 4 个电机进行通电，加上不同占空比的 PWM 波 形，来控制电机的转速，记录电源电压、电流的变化情况， 在稳定输出11.1V，不同的占空比下，电源电流变化情况如 表1所示。由表 1 可知：占空比越大，电机驱动工作需要的电流越 大；在占空比达到接近极限值时，电流输出变化很小，实验 表明硬件系统能够可靠运行。无线通讯调试通过测试无线的连通性、传输距离和丢包率，来确定无 线模块的性生能特性。把遥控器设置为发送模式，地面站设 置为接收模式，利用地面站的报警灯来指示接收的状态，成 功接受一次闪一下，通过改变遥控器和接收机之间的距离， 记录一分钟内指示灯闪烁的次数，来评估无线传输质量：测 试分别在教学楼楼道和空旷操场进行.详细记录见表 2。由表 2 可知：无线通讯在 15m 之后的传输效果有明显下 降，这是由无线通信模块的功率决定的，实验表明无线通信 部分在设计需求范围内能够可靠运行。综合调试图 6 为 PID 控制算法下载到四旋翼飞行器控制器进行实 际飞行控制