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。

引言

　　四旋翼飞行器是一种具有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^[1]。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]。在控制算法上，先进PID控制得到广泛应用^[3-4]。

　　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。

1 系统总体结构设计

1.1 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。

1.2 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。

1.3 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。

2 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。基于这些需求，本设计中飞行器微处理器模块选用ARM Cortex-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。MPU-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-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STC89C52RC作为遥控器的控制器，用来采集摇杆的模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。