四旋翼無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u9742四旋翼無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例 128918第1章四旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì) 1201681.1四旋翼無(wú)人機(jī)的基本構(gòu)成 1132871.2機(jī)架 367121.2.1機(jī)身 3127761.2.2起落架 4102091.3動(dòng)力系統(tǒng)的選擇 5307311.1.1電池 5301381.1.2電子調(diào)速器 6258141.1.3電機(jī)和螺旋槳 61783第2章四旋翼無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 967602.1飛行控制板設(shè)計(jì) 9140592.2姿態(tài)傳感器模塊 10286332.3遙控器和接收機(jī) 12116762.4數(shù)據(jù)傳輸模塊 13第1章四旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)1.1四旋翼無(wú)人機(jī)的基本構(gòu)成四旋翼飛行器主要由飛控系統(tǒng)，機(jī)架和動(dòng)力系統(tǒng)等組成，有時(shí)為了滿(mǎn)足實(shí)際飛行，需要減震板和云相機(jī)拍攝系統(tǒng)。以下幾個(gè)部分組成。如圖（19）所示.圖19四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)1.2機(jī)架機(jī)架作為無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的飛行載體，由減震架，起落架和機(jī)身構(gòu)成。當(dāng)無(wú)人機(jī)搭載拍攝云系統(tǒng)，需要有效控制無(wú)人機(jī)的顫動(dòng)，使飛行和相機(jī)的拍攝平穩(wěn)所以需要加減震器，可將減震器看成機(jī)架本身的一部分。機(jī)架一般使用強(qiáng)度較高，質(zhì)量相對(duì)較輕的材料。1.2.1機(jī)身多旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)身由于要承載各種飛行控制的零部件和設(shè)備，所以對(duì)于無(wú)人機(jī)具有至關(guān)重要的作用。同時(shí)需要考慮無(wú)人機(jī)的機(jī)身布局是否合理，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)對(duì)機(jī)身本身的重量要求非常嚴(yán)格，而且，無(wú)人機(jī)所能產(chǎn)生的最大壓力是由機(jī)身的軸數(shù)和軸距所決定的，所以應(yīng)根據(jù)不同的要求選擇合適的機(jī)身。當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)高性能的多旋翼無(wú)人機(jī)時(shí)要首先考慮無(wú)人機(jī)機(jī)身的重量，除此之外，也要綜合考慮價(jià)格，材料和大小尺寸等多種因素。表1是常用材料的主要參數(shù)。材料碳纖維鋁合金玻璃鋼聚碳酸酯丙烯酸塑料密度（g/cm2）1.762.11.51.21.17彈性模量(Gpa)20070722.321.5抗拉強(qiáng)度(MPa)3503701306379成本（10最低）15688加工（10最高）36767表SEQ表\*ARABIC1各種材料性能表由上表可以得到碳纖維材料具有加工簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，抗拉強(qiáng)度大。但唯一不足的地方是價(jià)格昂貴，所以對(duì)于一些性能要求比較高的無(wú)人機(jī)大部分都是選用碳纖維材料。如大疆高端系列無(wú)人機(jī)大疆經(jīng)緯系列。但是對(duì)于一般無(wú)人機(jī)科技愛(ài)好者來(lái)說(shuō)由于考慮到成本問(wèn)題常常選用塑料機(jī)身代替。多旋翼無(wú)人機(jī)兩相對(duì)電機(jī)軸之間的距離稱(chēng)為無(wú)人機(jī)的軸距，而無(wú)人機(jī)的整體尺寸就是由無(wú)人機(jī)的軸距決定的。同時(shí)無(wú)人機(jī)的軸距對(duì)無(wú)人機(jī)的性能也有很大影響，當(dāng)無(wú)人機(jī)的軸距相對(duì)較小時(shí)無(wú)人機(jī)就越靈敏，同時(shí)易受到外界干擾。當(dāng)無(wú)人機(jī)的軸距較大時(shí)不易受到外界的干擾，但是無(wú)人機(jī)就會(huì)變得遲鈍。所以無(wú)人機(jī)的軸距應(yīng)該根據(jù)我們對(duì)于無(wú)人機(jī)的性能要求來(lái)確定。通過(guò)綜合考慮了機(jī)架的價(jià)格，軸距，材料性能等，本次設(shè)計(jì)選擇大疆F330型號(hào)的機(jī)架如圖20。這款型號(hào)的機(jī)架馬達(dá)軸距為330mm，機(jī)架重量為143g同時(shí)層板為沉金PCB，可以直接焊接電調(diào)。同時(shí)具有質(zhì)量輕，價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)。所以深受無(wú)人機(jī)科技愛(ài)好者的歡迎。圖20F330機(jī)架1.2.2起落架圖21為起落架，可以與F330機(jī)架相適配，起落架作為無(wú)人機(jī)的支撐架，對(duì)無(wú)人機(jī)硬件起到很好的保護(hù)作用。無(wú)人機(jī)的起落架有收放式和固定式兩種，常見(jiàn)的是固定式的起落架。下面介紹無(wú)人機(jī)起落架的具體作用：1、無(wú)人機(jī)起落架使的無(wú)人機(jī)和地面保持距離，防止螺旋槳在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)因撞到地面而損壞。2、無(wú)人機(jī)的起落架具有支撐作用，可以保持機(jī)身的平衡。3、無(wú)人機(jī)的起落架具有緩震和緩沖的作用。減小對(duì)無(wú)人機(jī)的損害。4、若無(wú)人機(jī)搭載云拍攝系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)的起落架可以保護(hù)拍攝云臺(tái)和攝像頭。圖21無(wú)人機(jī)起落架1.3動(dòng)力系統(tǒng)的選擇在四旋翼飛行器中，電動(dòng)機(jī)，電子調(diào)速器，螺旋槳，和航模專(zhuān)用鋰離子電池等組成了無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的合理搭配會(huì)對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的性能有很大影響。如持續(xù)飛行時(shí)間，最大飛行速度，飛行里程等參數(shù)。1.1.1電池電池的作用是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，需要為無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)和其他的設(shè)備供電，由于科研人員對(duì)電池儲(chǔ)能技術(shù)的深入研究，多旋翼無(wú)人機(jī)不在使用傳統(tǒng)的鎳鎘電池，而選擇鋰離子電池為無(wú)人機(jī)提供能量。鋰離子電池與以前使用的航模電池可以?xún)?chǔ)存更多的能量。因此可以減輕無(wú)人機(jī)的自身重量，提高無(wú)人機(jī)的飛行速度和無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力。目前大部分的無(wú)人機(jī)都選擇了質(zhì)量較輕的鋰離子電池（見(jiàn)圖22），本次設(shè)計(jì)選用了3S25C的電池為無(wú)人機(jī)的飛行提供能量，3S的意思是三個(gè)鋰電池以串聯(lián)的方式連接在一起，25C表示放電倍率圖22航模專(zhuān)用鋰離子電池1.1.2電子調(diào)速器電子調(diào)速器分為有刷電子調(diào)速器和無(wú)刷電子調(diào)速器兩種。在多旋翼飛行器中使用的是直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)如圖（23）所示，可以輸出供直流無(wú)刷電機(jī)直接使用的三相交流電。電子調(diào)速器的主要功能是控制電動(dòng)機(jī)和調(diào)控速度。圖23電子調(diào)速器1.1.3電機(jī)和螺旋槳電動(dòng)機(jī)可以為多旋翼無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力，并且通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)控制無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)，同時(shí)無(wú)人機(jī)的載重能力與電機(jī)轉(zhuǎn)速快慢有關(guān)，可以通過(guò)控制無(wú)人機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小來(lái)改變無(wú)人機(jī)的姿態(tài)。多旋翼飛行器常選擇直流無(wú)刷電機(jī)，這種電機(jī)質(zhì)量輕，并能提供足夠強(qiáng)勁的動(dòng)力。直流無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，由定子和轉(zhuǎn)子組成。螺旋槳的材料有塑料，木頭和碳纖維等幾種材料，屬于消耗品易損壞。螺旋槳是為無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力的最后環(huán)節(jié)，對(duì)無(wú)人機(jī)的重要性不言而喻。螺旋槳通過(guò)旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生作用力，這個(gè)作用力可以使無(wú)人機(jī)得以飛行。螺旋槳和電機(jī)的適配度會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力和飛行速度有很大的影響。所以多旋翼飛行器選擇螺旋槳時(shí)，很大程度上取決于使用的電動(dòng)機(jī)和機(jī)身的尺寸。在給定的轉(zhuǎn)速下，較大的螺旋槳能夠產(chǎn)生較大的拉力，較小的螺旋槳在相同轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拉力也較小。因此，通常情況下，為了使多旋翼飛行器能夠獲得最高的效率，應(yīng)盡可能使用最大的螺旋槳。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式的得：450mm軸距的機(jī)架常常選擇長(zhǎng)度為23.4cm的螺旋槳;500mm軸距的機(jī)架常常選擇長(zhǎng)度為27.94cm的螺旋槳;550mm軸距的機(jī)架常常選擇長(zhǎng)度為30.48cm的螺旋槳。本次設(shè)計(jì)選用了郎宇2212電機(jī)（見(jiàn)圖24）和1155螺旋槳即長(zhǎng)度為11英寸，螺距為3.5英寸（見(jiàn)圖25）。圖24郎宇無(wú)刷電機(jī)圖251155螺旋槳第2章四旋翼無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)如圖26。這里研發(fā)四旋翼飛行器系統(tǒng)的硬件主要由地面控制板和飛行控制板兩部分組成。PC.上位機(jī)和遙控器的控制信號(hào)經(jīng)地面控制板處理后,再通過(guò)nRF無(wú)線(xiàn)模塊與飛行控制板進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。圖26四旋翼無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)組成2.1飛行控制板設(shè)計(jì)飛行控制系統(tǒng)可視為多旋翼飛行器的大腦，它處理所有采集到的信息并發(fā)送相關(guān)的指令給電動(dòng)機(jī)和控制界面，以執(zhí)行特定的動(dòng)作。2.1.1核心板選型核心板的作用有：1、通過(guò)控制飛行控制板PWM的占空比，調(diào)節(jié)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)操控?zé)o人機(jī)的運(yùn)動(dòng)。2、飛行器傳感器數(shù)據(jù)采集及處理，包括六軸傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)、超聲波模塊測(cè)量的高度數(shù)據(jù)、光流傳感器的位移數(shù)據(jù)。3、與地面控制板的交互通信，接收地面控制站發(fā)送來(lái)的遙控器數(shù)據(jù)以及其他控制命令,同時(shí)向地面站反饋?zhàn)陨砀黜?xiàng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)的主控芯片選擇STM32F407。如圖27所示。圖27STM32F407核心板2.2姿態(tài)傳感器模塊控制四旋翼飛行器的姿態(tài)是飛行器控制的核心，按姿態(tài)控制的功能模塊劃分，常用的模塊有加速度計(jì)、磁力計(jì)和氣壓計(jì)等。隨著微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展以及制造加工的微型化，所以把陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)都集成在一個(gè)模塊上，一是使用方便;二是采集的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。某些特殊的場(chǎng)合,使用專(zhuān)門(mén)的加速度計(jì)，磁強(qiáng)計(jì)和氣壓計(jì)等。現(xiàn)在四軸飛行器控制大部分都采用集成度較高的器件了,MPU6050和MPU9250是近年使用頻率較高的兩款器件,就是常說(shuō)的6軸和9軸。MPU9250是MPU6050的升級(jí)版本。無(wú)人機(jī)的姿態(tài)傳感器選擇GY86模塊如圖28，由于GY86總共集成姿態(tài)傳感器MPU6050、磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器HMC5883L、氣壓傳感器HS5611三種傳感器。MPU6050的坐標(biāo)及方向如圖29所示。此模塊因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)比較緊湊所以體積和質(zhì)量相對(duì)較小，同時(shí)集成的傳感器的精度相對(duì)較高。MPU6050、HMC5883L、HS5611與STM32的接線(xiàn)圖如圖30、31、32所示。圖28GY86模塊圖29MPU6050傳感器的坐標(biāo)及方向圖30MPU6050接線(xiàn)圖31HMC5883L接線(xiàn)圖32MS5611接線(xiàn)2.3遙控器和接收機(jī)由于2.

4GHz頻段是免費(fèi)的，所以無(wú)人機(jī)的遙控器常選擇這個(gè)頻段，目前常用的遙控器品牌有樂(lè)迪，JR和天地飛等，這些遙控器具有操控距離遠(yuǎn)，傳遞信息相對(duì)比較可靠，通過(guò)控制遙控器，信號(hào)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)或通過(guò)有線(xiàn)傳遞到地面基站，經(jīng)地面站處理將PPM信號(hào)并解析成真正的遙控?cái)?shù)據(jù)，從而達(dá)到操控四旋翼飛行器的目的。接收機(jī)通過(guò)和遙控器對(duì)頻而形成配對(duì)，同時(shí)將接收機(jī)安裝在四旋翼無(wú)人機(jī)上用來(lái)接收信號(hào)。本次設(shè)計(jì)選用了天地飛遙控器如圖33，同時(shí)與WFR07S接收器如圖34相配合。圖33天地飛遙控器圖34WFR07S接收器2.4數(shù)據(jù)傳輸模塊由于無(wú)人