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四旋翼无人机设计与制作

3 四旋翼飞行器硬件系统设计

3.1 微惯性组合系统传感器组成

3.1.1 MEMS陀螺仪传感器

陀螺仪是一种能用来维持方向与角速度(获取角速度)的装置,设计原理是角动量守恒。简单的说就是一个高速旋转的物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时不会改变。这种用来保持方向而制造出来的装置就叫陀螺仪[9],如图3.1所示。陀螺仪多用于导航定位系统中,姿态控制系统中多采用三轴陀螺仪,如图3.2所示。

图3.1 陀螺仪 图 3.2 MEMS三轴陀螺仪

3.1.2 MEMS加速度计传感器

能将物体加速度的信息转换为电信号的传感器称之为加速度传感器。在姿态控制系统中,加速度传感器用来测量与重力方向的夹角。当应用到实际中时我们就可以理解加速度传感器输出的信号是当地坐标系下加速度在导航坐标系下投影。加速度计能够在没有加速度存在的条件下可以感应重力产生的加速度,然而在有加速度存在时,根本无法测量出姿态角,需要陀螺仪传感器的数据相结合,才能够实现动态条件下的姿态测量[10]。

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3.1.3 三轴数字罗盘传感器

数字电子罗盘也叫指南针,顾名思义指南针是用来指示方向的。传统罗盘通过磁针来感应地磁场方向,电子罗盘通过磁阻传感器测量地磁方向信息,再将所测信息转换为信号输出。数字电子罗盘的优势在于它克服了只能够在水平面使用的缺点,这种数字电子罗盘内部有倾斜补偿装置,这个装置一般是由加速度传感器来完成,如果在完全动态的情况下,也需要陀螺仪检测姿态角,通过这个角度和磁场方向信息可以补偿得到准确的角度信息,而姿态测量系统中的电子罗盘实际上就是三轴数字电子罗盘。

3.2 姿态测量系统传感器选型

目前市场上出现的一款InvenSense公司的MPU6050芯片内部集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪,这样做不仅消除了焊接电路时易造成加速度计和陀螺仪之间的对准误差的问题,而且因为芯片内部结构上有数字可编程低通滤波器。所以在飞行器经受较大震动的时候,可以用软件设置适当频率的低通滤波器,滤掉高频震动,这种方法很有效的减少了四旋翼机身震动对姿态测量的影响。因此MPU6050被广泛应用于姿态控制系统之中,其特征如下:

(1)三轴角速度传感器具有±250、±500、±1000 与±2000(°/s)测量范围

[11]

;三轴加速度量程控制范围有±2g、±4g、±8g、和±16g。

(2)具备较低功耗:芯片供电电压VDD 为2.5V±5%、3.0V±5%、3.3V±5%[12];

陀螺仪工作电流5mA,待机电流为5uA;加速度计工作电流为500uA,在10Hz低功耗模式下仅需40uA的电流[13]。

(3)陀螺仪和加速度计都具备16 位ADC 同步采样功能。

(4)IIC接口传输频率可高达400KHz,内建频率发生器在所有温度范围只有1%频率变化。

综合MPU6050特性,我们采用如图3.3所示的电路读取三轴加速度和三轴陀螺仪数据。

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图 3.3 MPU6050电路图

HMC5883传感器是三轴数字罗盘,它可以用来测量四轴飞行器所处位置的三轴磁场信息,该传感器内置了三轴磁阻模块和放大采样电路,直接输出数字信号,用来测量航向角并进行姿态解算,HMC5883电路图如图3.4所示。HMC5883的特点如下: 1. IIC 数字量输出总线接口,设计使用简单,尺寸非常小。 2.有较高的测量精度,内置12位 A/D转换。

图 3.4 HMC5883电路图

4. 拥有自动校准功能,简化了应用的步骤。

5. 内置有自测试电路,量产测试非常方便,不需要增加额外的高昂测试设备[14]。 6. 功耗较低,供电电压只需要1.8V,睡眠模式功耗-2.5uA,测量模式功耗-0.6mA。

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3.3 电源系统设计

为了满足飞行控制系统的需要,电源系统为飞行控制器和功能模块提供了12V、5V和3.3V电压,电路设计如图3.5所示。选择12V的锂电池作为供电电源,通过稳压芯片将12V电压降为5V,为GPS模块、超声波传感器、接收机等提供供电电源;然后通过AMS1117_3.3稳压芯片再把5V电压降为3.3V,为飞行控制主板、姿态测量传感器和无线通信模块提供电能。

图 3.5 电源系统电路图

3.4 其它硬件模块

3.4.1 无线通信模块

该模块为上位机和控制器建立了联系。通过两块NRF24L01进行数据的传输,控制器将姿态和高度等信息传输至地面站,地面站将位置信息和导航信息告诉控制器,从而达到可控的要求。NRF24L01的工作频段为2.4 ~ 2.5GHz,而且具备自动重发功能,有6个数据传输通道,最大传输速率高达2Mbits[15]。STM32主控板可以通过SPI接口对NRF24L01的寄存器进行配置,无线通信模块的电路设计图,如图3.6所示。

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图 3.6 NRF24L01电路图

3.4.2 电机和电机驱动模块

我们常用的直流电机按结构及工作原理可以划分为无刷电机和有刷电机。无刷电机是航模电机的主流选择,因为它力量大而且耐用。小型的四旋翼飞行器一般选用空心杯电机,属于有刷电机一类。由于我们设计的是大型四旋翼飞行器,故采用的是无刷电机。

无刷电机根据厂商的不同,种类也是非常的多,市面上的主要有朗宇、新西达、银燕等品牌。在这些无刷电机中口碑最好的就是朗宇电机,用的人非常的多,因此采用朗宇无刷电机。

四旋翼飞行器所用的无刷电机主要有电机尺寸和电机KV值两个参数。电机尺寸指的是电机转子的直径和高度,电机KV值是指外加1V电压时对应的每分钟空载转速。根据参数设置最后选择采用朗宇A2212、KV1400无刷电机。电机实物图,如图3.9所示。

无刷电机的驱动就是俗称的电子调速器也称电调,如图3.10所示。黑色和红色的是11.1V电源线,红色接电源正极,黑色接电源负极。右边三根线和电机的三根线相连,如果转向反了,只需将其中任意两根线互换就可以。白红黑三根线是和电调相连的,白色为信号线,红色为控制板提供5V供电电源,黑色的线接控制器的GND。

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