【正文】 在設(shè)計過程中，遙控器外設(shè)計靈感來自游戲手柄，這樣設(shè)計 的 目的是把遙控器 能直接握在手里，同時非常有手感 。如元器件、外框、需要私印的層面是否合理。 （ 3） 放置小的元器件。 一個產(chǎn)品的成功，一是要注重內(nèi)在質(zhì)量。那些又重又熱的元器件， 不應(yīng)放到電路板上，應(yīng)放到主機箱的底版上，且考慮散熱問題。易受干擾的元器件不能相互離的太近，輸入和輸出應(yīng)盡量遠離?？煲踪徶赋?PCB尺寸過大時，印刷線條長，阻抗增加，抗燥能力下降，成本也增加；過小時，散熱不好，且臨近線條容易受干擾。一般電路應(yīng)盡可能使元器件并行排列，這樣不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。 2． 布局技巧 在 PCB的布局設(shè)計中要分析電路板的單元，依據(jù)起功能進行布局設(shè)計，對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原則： （ 1） 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。 （ 2） 在保證電氣性能的前提下，元件應(yīng)放置在柵格上且相互平行或垂直排列，以求整齊、美觀，在一般情況下不允許元件重疊 ；元件排列要緊湊，元件在整個版面上應(yīng)分布均勻、疏密一致。本次設(shè)計采用雙層電路板印制，遙控器和飛行器均不加外殼，直接 使用 PCB板作為支架外形， 焊接上元器件 直接 可以 使用 。當(dāng)使用 5V工作電壓時， CH340 芯片的 VCC 引腳輸入外部 5V 電源，并且 V3 引腳應(yīng)該外接容量為4700pF或者 。設(shè)計電路連接中比較注意的 地方有以下兩點： （ 1） CH340 芯片正常工作時需要外部向 XI 引腳提供 12MHz 的時鐘信號。 ● 軟件兼容 CH341，可以直接使用 CH341的驅(qū)動程序。 ● 硬件全雙工串口，內(nèi)置收發(fā)緩沖區(qū)，支持通訊波特率 50bps～ 2Mbps。 串口調(diào)試電路設(shè)計 在本次畢業(yè)設(shè)計中，串口調(diào)試電路只用在遙控器當(dāng)中，遙控器直接通過 Micro USB 接口給遙控器供電，然后連接串口，就可以直接跟上位機連接，方便程序調(diào)試。 四個電機驅(qū)動的 PWM分別于 MCU的 PIO0_0、吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 PIO0_ PIO0_ PIO0_3引腳連接。 圖 39 MPU6050工作時 I2C協(xié)議時序圖 圖 310 I2C協(xié)議時序圖 如圖 310 所示 MPU6050 工作時的時序圖。此時 任何被尋址的器件都被認為是從機。1%變動的振蕩器。5%，邏輯接口 VVDIO供電為 177。 產(chǎn)品傳輸可透過最高至 400kHz的 IC。2g、177。500、 177。 IN TI 2 C _ SCLI 2 C _ SD ACL K IN1AUX _ DA6AUX _ CL7V L O G IC8AD 09RE G O U T10FSY N C11IN T12VDD13GND18RE SV 119RE SV 221CPO U T20CL K O U T22SCL23SD A24U 5MP U 6 0 5 0DP 3 V 3DP 3 V 3D G N DD G N DC 231 0 4C 222 . 2 nFC 211 0 4R 2210 k ΩR 2110 k ΩR 2010 k ΩDP 3 V 3 圖 37慣性測量單元電路 圖 在圖 37中， 3個 10K上拉電阻 R R2 R22是為了增強驅(qū)動能力， MPU6050的七位設(shè)備地址是 b110100x，最后一位是通過 AD0管腳的電平來確定，本設(shè)計接的是地，所以設(shè)備地址是 b1101000。 因其封裝尺寸太小，并且是 QFN的封裝方式，焊接難度非常之大。如果 CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣；如果 CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣。通訊時，數(shù)據(jù)由 MISO 輸出， MOSI 輸入，數(shù)據(jù)在時鐘的上升或下降沿由 MISO 輸出，在緊接著的下降或上升沿由 MOSI 讀入，這樣經(jīng)過 8/16 次時鐘的改變，完成 8/16 位數(shù)據(jù)的傳輸。 無線 NRF24L01模塊與 MCU之間連 接口如表 31所示。 NXP LPC1549引腳還有一種開關(guān)矩陣功能，為了 使 硬件電路設(shè)計 方便 ， 特有的功能。 MCU最小系統(tǒng)電路原理圖如圖 34 所示。 NXP LPC1549基于 32位 ARM CortexM3 內(nèi)核，主頻高達 72MHz；具有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線的哈佛架構(gòu)，并擁有供外設(shè)使用的第三獨立總線；內(nèi)置嵌套向量中斷控制器 (NVIC)和存儲器保護單元 (MPU)；配備 256kB flash、 32kB ROM、 4kB EEPROM和 36kB SRAM；支持 FS USB、 CAN、 RTC、 SPI、 USART、 I2C等外設(shè)。 電源電路設(shè)計如圖 33 所示，其中 330mH 電感 L1 在回路電路中起著消除系統(tǒng) 運行產(chǎn)生 的磁通量，保證電源的穩(wěn)定； C6 和 C9兩個 100uF的大電容分別放在穩(wěn)壓芯片的輸入和輸出兩端起著濾波的作用，能更加的穩(wěn)定 電源 。 電源電路設(shè)計 電源是任何電子系統(tǒng)設(shè)計的核心，并且需要的是穩(wěn)定的電源，電源的是否穩(wěn)定影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此，電源部分也是重點設(shè)計的部分。從該模塊還 能看 出 電源輸出的有 。遙控器硬件電路總圖如圖 31 所示。與早期 Protel 99SE以及 Protel DXP2020軟件相比， Altium Designer Summer 09功能更加完備、風(fēng)格更加成熟，并且界面更加靈活操作也簡單，尤其是在仿真和 PFGA 電路設(shè)計方面有了重大的改進，擺脫了 Protel 前期版本基于 PCB設(shè)計的產(chǎn)品定位，顯露出一個普及型全線 EDA產(chǎn)品嶄新的面貌。 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案 本次設(shè)計軟件部分包括遙控器程序設(shè)計和飛行器程序設(shè)計。 本次設(shè)計之所以選用 MPU6050作為 姿態(tài)傳感器作為慣性測量單元，是因其具有跟 MCU 之間進行 I2C 數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率為 400KHz，通信協(xié)議簡單、價格低廉等優(yōu)點。本次電源設(shè)計模塊選用 CAT6219作為 轉(zhuǎn) 穩(wěn)壓芯片； CAT6219 的低壓差的優(yōu)點完全符合設(shè)計要求，遙控還使用了 ； ADC電位器做參考電壓使用。遙控器端的主要硬件部分包括最小系統(tǒng)、無線 NRF2L01 模塊 、程序下載、 ADC 采集、液晶顯示器、蜂鳴器、 LED 指示燈以及串口調(diào)試，飛行器端硬件主要部分有最小系統(tǒng)、程序下載，無線 NRF2L01吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 模塊、電機驅(qū)動、慣性測量單元 MPU6050 以及 LED 驅(qū)動電路，其系統(tǒng)總體框圖如圖 21所示。飛行器軟件設(shè)計主要是 MCU 通過硬件 I2C采用 400KHz的速率讀取 MPU6050的數(shù)據(jù)，并定時利用慣性測量單元（ IMU）姿態(tài)獲取技術(shù)，然后通過 PID電機 自動 控制算法，把 PID輸出量跟無線接收到的數(shù)據(jù)進行融合，最終通過輸出 PWM 來控制高速空心杯 直流有刷電機來實現(xiàn)各種飛行狀態(tài)。吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 第 2 章 總體方案設(shè)計 總體設(shè)計原理 本次設(shè)計硬件部分主要包括遙控器和飛行器兩大部分，主控芯片均采用 32位基于 ARM Cortex3的 NXP LPC1549處理器，遙控器和飛行器之間通信采用 民用無線通信頻段的 NRF24L01模塊，模塊與 MCU之間通過硬件 SPI采用 1MHz的速率通信。在設(shè)計過程中，兩大部分均采用以 ARM CortexM3 為內(nèi)核的 NXP LPC1549作為中央處理器，飛行器端利用 3軸陀螺儀、 3軸加速度計融合一體的 MPU6050慣性測量單元作為姿態(tài)傳感器，最終實現(xiàn)懸停、自轉(zhuǎn)、前后左右移動等操作功能 。 “人類對飛行的夢想是與生俱來的。 Phantom尺寸比 大的多，抗風(fēng)性更好，還具有內(nèi)置 GPS導(dǎo)航功能，可以在戶外很大的范圍內(nèi)飛行。當(dāng)時 ，在 的引領(lǐng)下，全球范圍內(nèi)都有一股將四旋翼商業(yè)化的熱潮 ， DJI只是眾多小四旋翼公司中稍微出眾的一個。自此之后，四旋翼飛行器受到的關(guān)注度迅速提升，成為了新的商業(yè)焦點。 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 的流行讓四旋翼飛行器開始廣泛進入人類社會。 四旋翼飛行器是多旋翼飛行器中最簡單最流行的一種。接著人們再花了若干年的時 間理解多旋翼飛行器的非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給它建模、設(shè)計控制算法、實現(xiàn)控制算法。很長一段時間里，只有美國一些研發(fā)性的項目做出了多旋翼飛行器的樣機。 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 國內(nèi)外的發(fā)展情況 早在二戰(zhàn)時，載人四軸的原型機已經(jīng)被設(shè)計出來，但因為控制技術(shù)還跟不上，飛行器因不穩(wěn)定而無法投入實際應(yīng)用。在民用與工業(yè)領(lǐng)域，四軸飛行器也具有廣泛的應(yīng)用前景。 Aircraft end carrying a 3axis accelerometer and integrating threeaxis gyro MPU6050 inertial measurement unit as a gesture of Euler angle measurement unit,MPU6050 aircraft between the MCU municates through the I2C Protocol with400Hz frequency。 本設(shè)計主要包括遙控器和飛行器兩大部分， 其 中央處理 器 CPU 均采用 基于32位 ARM CorexM3 內(nèi)核的 NXP LPC1549，時鐘頻率為 72MHz；飛行器與遙控器之間的無線通信采用 通信頻段的 NRF24L01 模塊， NRF24L01 模塊與MCU 之間通過 SPI 協(xié)議以 1MHz的通信速率通信；飛行器端搭載有 3 軸加速度計與三軸陀螺儀融合一體的 MPU6050 慣性測量單元作為姿態(tài)歐拉角測量單元，MPU6050與飛行器 MCU之間通過 I2C協(xié)議以 400Hz的頻率進行通信；飛行器端MCU通過 接收無線數(shù)據(jù)以及 采集 MPU6050數(shù)據(jù)通過四元數(shù)互補濾波計算 出的歐拉角，再 進行電機 PID自動控制 ， 最終以 20KHz的 PWM通過 MOS管 來驅(qū)動空心杯 820直流有刷電機，得以實現(xiàn)遙控四軸飛行器的設(shè)計?？蓱?yīng)用于軍事上的地面戰(zhàn)場偵察和監(jiān)視，獲取不易獲取的情報。能夠執(zhí)行禁飛區(qū)巡邏和近距離空中支持等特殊任務(wù)，可應(yīng)對現(xiàn)代電子戰(zhàn)、實現(xiàn)通信中繼等現(xiàn)代戰(zhàn)爭模式。 關(guān)鍵詞 四軸飛行器； PID自動控制； MPU6050； PWM II ABSTRACT Fouraxis aircraft equipped with VTOL (Vertical TakeOff and Landing, vertical take off and landing) aircraft with all the advantages, and UAV39。 Aircraft endMCU by receiving wireless data MPU6050 data collected by Quaternion plementary filters calculate the Euler angles. PID motor control, ultimately 20KHz PWM drive through the MOS tube hollow glass 820 DC brush motor, remote control design of four axis aircraft. Keywords Quadrocopter； PID Auto control； MPU6050； PWM吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1 章 緒論 論文研究背景及意義 圖 11 典型四軸飛行器 四軸飛行器是一種具有 4 個對稱旋翼的直升機（如圖 11），具有垂直起降、結(jié)構(gòu)簡單、操縱方便及機動靈活等優(yōu)點，在飛行器上掛載攝像頭等模塊能夠?qū)崿F(xiàn)許多實用功能。通過攜帶特定的功能檢測模塊，四軸飛行器可以感知危險區(qū)域的有毒物質(zhì)濃度或核輻射強度等。那時欠缺的技術(shù)主要是慣性測量和控制器的缺陷，那時候的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一般是十幾公斤的大鐵疙瘩。 20世紀 90年代之后，隨著微機電系統(tǒng)（ MEMS）研究的成熟，幾克重的 MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)被制作了出來，使得多旋翼飛行器的自動控制器可以制作了。 因此，直到 2020年左右，真正穩(wěn)定的多旋翼無人機自動控制器才被制作出來。如上所述，最初的一段時間主要是學(xué)術(shù)研究人員研究四旋翼。在玩具這個尺寸上，多旋翼飛行器的優(yōu)勢就顯示出來了，同尺寸的固定翼基本飛不起來，而同尺寸的直升機因為機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根本沒法低成本地制作出穩(wěn)定的產(chǎn)品。 在國內(nèi)，四軸飛行器發(fā)展于深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公 (DJInnovations，簡稱DJI)，早年 DJI專注在直升機自動控制器上。隨著 DJI Phantom在 2020年 1月的推出，四旋翼飛行器市場的 形勢發(fā)生了巨大的變化。更重要的是，當(dāng)時利用 GoPro運動相機拍攝極限運動已經(jīng)成為歐美國家的時尚，而 Phantom提供了掛載 GoPro的連接架，讓用 GoPro相機的人們有了從天空向下的拍攝視角。 ”你已經(jīng)看到人們的創(chuàng)意如何在一兩年之內(nèi)被四旋翼點燃起來，更多的飛行器被制造出來，更多的想法也會被創(chuàng)造出來，這樣更大的市場