【正文】 CLK37PA15/TDI38PB3/TDO39PB4/NTRST40PB5/IIC1_SMBAI41PB6/IIC_SCL42PB7/IIC_SDA43BOOT044PB8/TIM4_CH345PB9/TIM4_CH446VSS_347VDD_348S T M 3 2 F 1 0 3 C 8 T 6 圖 315 遙控器核心板 原理圖 Schematic diagram of remote control 遙控器采用意法半導(dǎo)體公司的 32 位處理器 STM32F103C8T6 作為控制器，它是專門為為王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 18 控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)等對(duì)功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的。 TP4056 在有電源時(shí)也可置于停機(jī)模式 ， 從 而將供電電流降至 55uA。熱反饋可對(duì)充電電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié) ， 以 便在大功率操作或高環(huán)境溫度條件下對(duì)芯片溫度加以限制。 王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 16 VIN1GND2EN3BYP4VOUT5U4SP6205BAT10uHL1Inductor47uFBC1GND GND GND GND GNDC11CapGND GND47uFBC2C12CapC13CapC14CapC15CapVCCGND GND GNDC16CapC17CapC18Cap主控芯片電源輸出VIN1GND2EN3BYP4VOUT5U5SP6205GNDGND100KR12Res2100KR14Res2GNDBAT_ADGNDC20CapGND10uFC21CapGNDC22CapVDD陀螺儀電源輸出 圖 313 電源模塊 power module 充電模塊 充電電路采用 TP4056 芯片 ， 此芯片是一款完整的單節(jié)鋰離子電池 線性充電器 。下拉電阻 R4 防止上電時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)選用直接為 7mm 的空心杯電機(jī)。首字節(jié)的第一位為讀 /寫 位， 0 為寫， 1 為讀，后面 7 個(gè)位為寄存器地址。主設(shè)備為每個(gè)從設(shè)備分配一個(gè)獨(dú)立的片選（ CS）（本系統(tǒng)僅 NRF24L01為 SPI 設(shè)備）；傳輸開始后 CS 為低，傳輸結(jié)束 CS 又變?yōu)楦?。通過上位機(jī) ， 可以實(shí)時(shí)地顯示四旋翼的姿態(tài) ， 并可通過上位機(jī)控制飛行器的飛行。 無線收發(fā)器包括 : 頻率發(fā)生器 、 增強(qiáng)型 SchockBurst?模式控制器 、 功率放大器 、 晶體振蕩器 、 調(diào)制器 、 解調(diào)器 ， 輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過 SPI 接口進(jìn)行設(shè)置 。在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，電機(jī)遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 旋轉(zhuǎn) 會(huì)對(duì) 數(shù)字羅盤的數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，故暫時(shí)不加入數(shù)字羅盤的數(shù)據(jù)。 HMC5883L 廣泛應(yīng)用于 手機(jī)、筆記本電 腦、消費(fèi)類電子、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)。 數(shù)字羅盤模塊 霍尼韋爾 HMC5883L 是 一種表面貼裝的高集成模塊 ， 并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片 ， 應(yīng)用于低成本羅盤和磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域。緊接著，收到應(yīng)答信號(hào)后，處理器再發(fā)一個(gè)開始信號(hào)，然后發(fā)送 MPU6050 地址位和一個(gè)讀數(shù)據(jù)位。 王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 12 SS D AS C L1 7 8 91 7 8 9 1 7 8 9A D D R E S S R / W A C K D A T A A C K D A T A A C KP 圖 37 完整的 I2C數(shù)據(jù)傳輸 Complete I2C data transfer 如果要寫 MPU6050 寄存器，處理器除了發(fā)出開始標(biāo)志（ S） 和地址位， 還要加一個(gè) R/W位， 0為寫， 1為讀。應(yīng)答產(chǎn) 生時(shí)， MPU6050 將 SDA 線拉低并且在 SCL 為高電平時(shí)保持為低。 SD A T A O U T P U T B Y T R A N S M I T T E R ( S D A )S C L F R O M M A S T E RS D A1 2 8 9D A T A O U T P U T B Y R E C E I V E R ( S D A )n o t a c k n o w l e d g ea c k n o w l e d g ec l o c k p u l s e f o r a c k n o w l e d g e m e n t 圖 36 I2C總線的應(yīng)答方式 The response of the bus （三）通信 開始標(biāo)志（ S）發(fā)出后，處理器會(huì)傳送一個(gè) 7位的 Slave 地址，并且后面跟著一個(gè)第 8位，稱為 Read/Write 位。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 S PS D AS C LS D AS C L 圖 35 I2C開始和停止條件 I2C Start and stop conditions （二）數(shù)據(jù)格式 I2C的數(shù)據(jù)字節(jié)定義為 8bits 長(zhǎng)度，對(duì)每次傳送的總字節(jié)數(shù)量沒有限制。 MPU6050 的 Slave 地址為 b110110X，7 位字長(zhǎng)，最低有效位 X由 A0 管教上的邏輯電平?jīng)Q定，本設(shè)計(jì) A0 接地，所以設(shè)備地址為b1101100。 SDA_SENSORSCL_SENSORINT_SENSORSDA_SENSORSCL_SENSORINT_SENSORVLOGIC8VDD13GND18RSV119RSV221NC12NC23NC34NC45NC514NC615NC716NC817SDA24SCL23INT12A09CPOUT20REGOUT10FSYNC11CLKIN1CLKOUT22AUX_DA6AUX_CL7U1MPU6050VDDGNDSDA_SENSORSCL_SENSORINT_SENSOR10KR1GNDVCCC5CapC6CapGNDVCC 圖 34 加速度計(jì)和陀螺儀模塊原理圖 The principle diagram of the accelerometer and gyroscope module 下面以 MPU6050 為例來說明 I2C的工作方式 ： （一）開始（ S）和結(jié)束（ P） 標(biāo)志 MPU6050 通過 I2C通訊協(xié)議與處理器進(jìn)行通訊 ,I2C 接口包括串行數(shù)據(jù)線（ SDA）和串行時(shí)鐘線（ SCL） 。 1%變動(dòng)的振蕩器。一個(gè)片上 1024 字節(jié)的 FIFO， 有助于降低系統(tǒng)功耗。 2，177。 500， 177。 MPU6050 也可以通過其 I2C 接口連接非慣性的數(shù)字傳感器 ， 比如壓力傳感器。 STM32F103T8U6 只需要少量的電容和晶振即可工作（圖 33），外接姿態(tài)傳感器模塊、地磁傳感器模塊、 無線模塊、 充電模塊等。所有型號(hào)的器件都包含 2 個(gè) 12位的 ADC、 3個(gè)通用 16 位定時(shí)器和一個(gè) PWM 定時(shí)器 ， 還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá) 2 個(gè) I2C 和SPI、 3 個(gè) USART、一個(gè) USB 和一個(gè) CAN。內(nèi)部采用了放倒沖電路，當(dāng)充電電流達(dá)到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值的 1/10 時(shí)，將自動(dòng)終止充電循環(huán)。為了減小體積和減輕重量，本系統(tǒng)把無線通信模塊固化在了 PCB 上。的 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 和 簡(jiǎn)易的 I2C 系列總 線接口 。 采用 MPU6050 作為姿態(tài)測(cè)量芯片，此芯片為系統(tǒng)的核心芯片，它 集成了 3 軸 MEMS 陀螺儀 ， 3 軸 MEMS 加速度計(jì) ，對(duì) 陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè) 16 位的 ADC， 將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。把三個(gè)軸的力矩疊加起來，就得到各螺旋槳功率變化與提供的力矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以用一個(gè)矩陣等式表示，見 (21)式。 0號(hào)3號(hào)1號(hào)2號(hào) 圖 21 四旋翼飛行器旋翼旋轉(zhuǎn)方向示意圖 Four rotor aircraft rotor rotation direction 王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 6 假設(shè)四軸為剛體，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量矩定理，角速度和角加速度由外力矩決定 [2]，通過控制四個(gè)螺旋槳，可以產(chǎn)生需要的力矩。與此不同的是 ， 小型四旋翼飛行器旋翼翼片的旋轉(zhuǎn)切角是固定的 ， 它是通過改變每個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)的角速度來控制整個(gè)飛行器的飛行。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2 微型四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)和控制原理簡(jiǎn)介 目前飛行 器 控制方式 主要有：遙控飛行、自主飛行以及半自主飛行三種方式。盡管無刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng) 電路很復(fù)雜 ， 但還是得以采用 ， 以實(shí)現(xiàn)較高的功率質(zhì)量比（ Power to weight ratios）。此濾波器主要用于保留高頻的傳感器數(shù)據(jù)（ 300Hz ）和低頻的視頻信號(hào)（ 10Hz） ， 并過濾掉其他頻率成分的干擾信號(hào)。四個(gè) LED 被置于飛行器十字支架的四端 ， 用于給地面三個(gè)攝像機(jī)組成的視頻系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。在原先有地面攝像機(jī)觀測(cè)的五個(gè)標(biāo)記的基礎(chǔ)上 ， 另一個(gè)標(biāo)記被至于地面攝像機(jī)上 ， 供板載攝像機(jī)觀測(cè)。板載計(jì)算機(jī)通過傳王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 4 感器信號(hào)來穩(wěn)定飛行器 ， 并通過板上 R/C 接收設(shè)備來獲取地面計(jì)算系統(tǒng)發(fā)送的控制信號(hào)。置于地面的攝像機(jī)作為主傳感器來使用。而外環(huán)控制最終被放棄 ， 因?yàn)閺? IMIU 獲得飛行器高度值存在一定難度。一個(gè)雙核的板載計(jì)算機(jī)用來紀(jì)錄來自 R/C 接收器的輸入命令 ， IMU 上的串行接口是數(shù)據(jù)以 120Hz 的頻率被紀(jì)錄下來 ， 而另一個(gè)串行接口用來實(shí)現(xiàn) IMU 和地面計(jì) 算系統(tǒng)之間的通信。電動(dòng)馬達(dá)使飛行器飛行噪音很小。 EADS Quattrocopter 原本是用來當(dāng)作研制微型飛行器控制單元的測(cè)試平臺(tái) ， 而如今因其良好的性能被工業(yè)界大量生產(chǎn)。以下介紹近年來研制成功的一些有代表性的四旋翼飛行器。經(jīng)試飛驗(yàn)證 ， Convertawings 飛行器在空中飛行性能良好 ， 但由于 當(dāng)時(shí)人們對(duì)此種飛行器缺乏興趣而停止生產(chǎn)。在嘗試橫向飛行時(shí) ， 需要大量的人力和物力的支持。截止 1923 年底 ， 該飛行器于俄亥俄州代頓市共試飛約 100 次。 該飛行器重 1700kg， 于 1922 年十月進(jìn)行其第一次試飛。 1921 年 1 月 ， 美國(guó)空軍軍團(tuán)（ US Army Air Corps）與 Gee de Bothezat 和 Ivan Jerome 簽訂合約共同建造垂直飛行器。其中兩個(gè)旋翼順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn) ， 另外兩個(gè)旋翼逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。 同 時(shí) ， 小型四旋翼飛行器研究也為自動(dòng)控制 ， 先進(jìn)傳感技術(shù)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多領(lǐng)域的融合研究提供了一個(gè)平臺(tái)。相比之下 ， 運(yùn)用現(xiàn)代非線性控制理論設(shè)計(jì)的控制算法 ， 其性能明顯優(yōu)于經(jīng)典控制算法。由國(guó)際無人運(yùn)輸系統(tǒng)協(xié) 會(huì) (International Association for Unmanned Vehicle Systems）組織的一年一度的國(guó)際空中機(jī)器人競(jìng)賽 (International Aerial Robotics Competition),為自主旋翼式飛行器的應(yīng)用潛力研究提供了一個(gè)很好的展示平臺(tái)。遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 0 前言 無人飛行器（ UAV）自主飛行技術(shù)多年來一直是航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn) ， 并且在實(shí)際應(yīng)用中存在大量的需求 ， 例如：偵察與營(yíng)救任務(wù) ， 科學(xué)數(shù)據(jù)收集 ， 地質(zhì)、林業(yè)勘探 ， 農(nóng)業(yè)病蟲害防治 ， 以及視頻監(jiān)控 ， 影視制作等。而旋翼式飛行器與固定翼飛行器相比 ， 其優(yōu)勢(shì)還包括：飛行器起飛和降落所需空間少 ， 在障礙物密集環(huán)境下的可控性強(qiáng) ， 以及飛行器姿態(tài)保持能力高。經(jīng)典的控制策略在飛行器系統(tǒng)的某個(gè)特 定作用點(diǎn)上往往首先將系統(tǒng)模型線性化 ， 然后在此基礎(chǔ)上運(yùn)用經(jīng)典控制理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和控制 ， 控制精度和控制能力偏弱。飛行器可以飛至離目標(biāo)更近的區(qū)域 ， 而不像傳統(tǒng)直升機(jī)由于其巨大的單旋翼而不能近距離靠近目標(biāo)。 BreguetRichet 四旋翼飛行器建造于 1907 年 ， 在其十字支架的四端固定了四個(gè)長(zhǎng)為 米的旋翼。雖然自主飛行并未實(shí)現(xiàn) ， 但同時(shí)使用順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋翼和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋翼的思想是 BreguetRichet 四旋翼飛行器的顯著特點(diǎn)。每個(gè)旋翼可單獨(dú)控制其轉(zhuǎn)速以產(chǎn)生不同的升力 ， 使飛行器傾斜而產(chǎn)生前后移動(dòng) 。 1923 年 1 月 19 日的另一次試飛