导言
四旋翼飞翔器是一种具有6个自由度和4个操控输入的可笔直起降、悬停、前飞、侧飞和倒飞的无人驾驶飞翔器，4只旋翼可互相抵消反扭力矩，不需求专门的反扭矩桨。被广泛运用于无人侦查、森林防火、灾情监测、城市巡查等范畴。飞翔操控体系是四旋翼飞翔器的中心部分，其功用的好坏决议了整个体系的功用。近年来，微小型四旋翼无人机的自主飞翔操控得到了研讨人员的广泛重视[1]。跟着计算机技能和电子技能的开展，国内的小型飞翔器研讨开发作业逐步升温，许多公司形成了工业。例如大疆公司将四轴飞翔器等多轴飞翔器完结了商业化运用。国内研讨的要点首要为三个方面：姿势操控、传感器技能开展以及新材料的运用、电池范畴技能的研讨。典型代表有哈工大、北京航空航天大学、南京航空航天大学、国防科技大学等[2]。在操控算法上，先进PID操控得到广泛运用[3-4]。
本文以ARM Cortex-M3架构的STM32C8T6作为飞翔器操控处理器，以MPU-6050作为飞翔器的姿势传感器，以低功耗2.4GHz的nRF24L01作为无线传输器材，以HC-RS04超声波作为障碍物报警传感器规划体系硬件电路。经过试验调试，硬件体系可以安稳、牢靠运转。
1 体系整体结构规划
1.1 物理结构规划
四旋翼飞翔器由一个十字支架和四个螺旋桨组成，支架中心安放飞翔操控处理器及外部设备，四个螺旋桨半径和视点相同，呈左、右、前、后四个方向两两对称摆放。四个电机对称安装在支架端，其间，电机1和电机3逆时针旋转，电机2和电机4顺时针旋转，经过改动四个电机的转速来操控电机的运转状况。其结构办法如图1所示。
1.2 作业原理
四旋翼飞翔器在作业时，是经过电机调速体系对四个电机的转速进行调理，以完结升力的不同改动，然后操控飞翔器的运转状况。飞翔器的电机1和电机3呈逆时针旋转，电机2和电机4呈顺时针旋转，此刻飞翔器的陀螺效应和空气扭矩效应均被抵消，然后确保飞翔器可以平衡安稳的飞翔。经过适当地改动电机的转速，来操控飞翔器的飞翔状况。
1.3 飞翔器操控体系整体体系规划
飞翔操控体系分为地上和机载两部分，其在物理上是互相独自的，在逻辑上是互相相连的。地上部分又分为地上站部分和遥控器部分，这两部分互相独立。整个飞翔操控体系由微操控器模块、无线模块、电机驱动模块、姿势丈量模块、高度丈量模块、报警电路模块、地上站和遥控器等部分组成。体系整体框图如图2所示。
2 体系首要功用模块硬件电路规划
2.1 微操控器模块
本操控体系是一个多输入多输出体系，操控模块的首要输入信号有各个传感器的丈量数据，输出信号为四路变脉宽电机操控信号，需求多个守时/计数器操控信号脉宽。体系需求处理许多传感器传来的数据，而且需求将数据送回地上体系，需求实时操控，响应速度有必要要快。此外，本体系传感器的接口多样化，需求更多样的接口才干便于软件读取。依据这些需求，本规划中飞翔器微处理器模块选用ARM Cortex-M3内核的STM32F103C8T6，它的时钟频率可以到达72MHz，而且具有IIC总线接口、JTAG接口、SPI接口、AD收集接口、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。此微操控器具有8个守时器，关于信号收集和PWM输出均能满意。
2.2 姿势丈量模块
四旋翼飞翔器受电机振荡和外界搅扰影响较大，准确数学模型树立较难，且其载重有限，一般以惯性器材作为姿势丈量设备，姿势丈量部件是整个硬件体系的重要部分。本规划归纳考虑硬件规划准则，选用MPU-6050作为飞翔器的姿势传感器。MPU-6050经过IIC协议接口进行通讯，只需求将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。为了安稳输出，防止闲暇总线开漏，运用R2与R3作为SDA和SCL的上拉电阻，进步总线的负载才能。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
体系在这三个方面需求无线通讯：首要需求将遥控器的信号经过无线模块发送出去。其次，地上站需求接纳飞控端的姿势数据，并需求发送操控参数。最终，在飞控端需求接纳遥控器和地上站的数据。结合通讯间隔，本钱等要素，本规划选用nRF24L01无线模块器材。其发射电路可以经过LC振荡电路构成。为了便于修理，运用接口将无线模块独立出来。
2.3.1 遥控器模块
本规划选用摇杆操控办法，运用数-模转化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操控器，经过必定的数据处理，经过无线发射出去，供飞翔器操控器接纳运用。选用nRF24L01作为遥控器的无线发射器材，为了便于数-模转化，遥控器摇杆选用摇杆电位器，经过收集电位器的电压值去衡量遥控的行程量;因为遥控器处理信号单一，不需求高速的处理器，选用8位的51单片机STC89C52RC作为遥控器的操控器，用来收集摇杆的模拟信号和发送收集到的数据。选用PCF8591作为数据获取器材，其含有4路模拟量输入，1路模拟量输出，归于规范的IIC通讯，可以满意本规划要求。遥控器硬件电路如图4所示。
2.3.2 地上站模块
飞翔器地上站首要完结以下两个方面的功用：(1)在飞翔器安稳飞翔时检测飞翔器的飞翔状况，传递操控参数给飞翔器，使其依照操控算法运转;(2)在飞翔器调试阶段，完结飞翔器PID参数的修正和调整。因为PC机一般留给用户操作的多为USB接口，但是nRF24L01通讯接口为SPI接口，本规划选用51单片机读取nRF24L01的数据，持续由单片机将数据经过USB转串口芯片与PC机通讯，完结地上站数据的传输功用。
2.4 电机驱动模块
2.4.1 电机驱动原理
本规划选用直流无刷电机作为飞翔器的动力驱动设备。依据无刷直流电机的换向准则，无刷直流电机的操控办法分为：开环操控、转速负反应操控和电压反应加电流正反应操控。其间，开环操控无反应进行校正，运用于转速精度要求不高的场所;转速负反应操控的机械功用好;电压反应加电流正反应操控一般运用在动态功用要求高的场合。针对本规划来说，需求实时调整电机的转速，而且调速频率比较大，所以在本规划中选用电压反应加电流正反应操控办法。
2.4.2 电机驱动电路规划
依据电机操控原理，本规划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部分。
(1)微处理器
因为无刷直流电机的换向频率比较高，不宜运用低频率的处理器，再加上电机的旋转会发生旋转的磁场，对处理器有很大的搅扰。经过比较，本规划选用ATMEGA8单片机作为电机驱动微处理器。
(2)反电动势检测
在换向的过程中，需求不停地检测转子的方位，经过转子发生的反电动势就可以知道转子的方位信息，经过火压衰减原理，检测电机三相反电动势电压相对中性点的电压，然后确认转子的方位。反电动势检测电路如图5所示。
其间，A、B、C端子为电机三相电压，R33~R38为分压电阻，P-A、P-B、P-C别离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供给大的电流，使其到达可以安稳运转的意图，本规划选用并联MOS管进步输出的电流，在每一相上桥臂并联3个P沟道MOS管，到达三相全桥可控的意图，在每一相的下桥臂上也并联3个N沟道MOS管。
3 硬件体系调试
3.1 PWM操控飞翔器驱动电机调试
经过对4个电机进行通电，加上不同占空比的PWM波形，来操控电机的转速，记载电源电压、电流的改动状况，在安稳输出11.1V，不同的占空比下，电源电流改动状况如表1所示。
由表1可知：占空比越大，电机驱动作业需求的电流越大;在占空比到达挨近极限值时，电流输出改动很小，试验标明硬件体系可以牢靠运转。
3.2 无线通讯调试
经过测验无线的连通性、传输间隔和丢包率，来确认无线模块的功用特性。把遥控器设置为发送形式，地上站设置为接纳形式，运用地上站的报警灯来指示接纳的状况，成功承受一次闪一下，经过改动遥控器和接纳机之间的间隔，记载一分钟内指示灯闪耀的次数，来评价无线传输质量;测验别离在教学楼楼道和空阔操场进行，具体记载见表2。
由表2可知：无线通讯在15m之后的传输作用有显着下降，这是由无线通信模块的功率决议的，试验标明无线通信部分在规划需求范围内可以牢靠运转。
3.3 归纳调试
图6为PID操控算法下载到四旋翼飞翔器操控器进行实践飞翔操控的姿势曲线图，其间①代表横滚角，②代表俯仰角，③代表偏航角。图6为飞翔器遭到侧风搅扰后，姿势角受控从头收敛到平稳(0,0,0)状况的视点数据。下图为飞翔器从某一个姿势受控收敛到平稳(0,0,0)状况的视点数据。从试验成果可以看出体系能安稳运转。
4 结束语
完结了四旋翼飞翔器操控体系方案规划以及体系各个模块硬件器材选型和电路规划，进行了体系硬件电路的调试，试验成果标明，体系可以安稳、牢靠运转。
