【正文】 們又花了一些年的時間研究 MEMS去噪聲的各種數(shù)學算法。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、設計控制算法、實現(xiàn)控制算法。之前一直被各種技術瓶頸限制住的多旋翼飛行器系統(tǒng)突然出現(xiàn)在人們視野中，大家驚奇地發(fā)現(xiàn)居然有這樣一種小巧、穩(wěn)定、可垂直起降、機械結(jié)構(gòu)簡單的飛行器存在。 四旋翼飛行器是多旋翼飛行器中最簡單最流行的一種。四旋翼飛行器最早出現(xiàn)在公眾視野可能要追溯到 2020年的著名 印度電影《三傻大 鬧 寶萊塢》，到了 2020年，法國 Parrot公司發(fā)布了世界上首款流行的四旋翼飛行器 。 吉林建筑大學學士學位論文 3 的流行讓四旋翼飛行器開始廣泛進入人類社會。 2020年 2月，賓夕法尼亞大學的 VijayKumar 教授在 TED上做出 了四旋翼飛行器發(fā)展歷史上里程碑式的演講。自此之后，四旋翼飛行器受到的關注度迅速提升，成為了新的商業(yè)焦點。不過在 2020年， 讓 DJI開始考慮四旋翼飛行器產(chǎn)品。當時 ，在 的引領下，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。 “Phantom”在英語里有幻影、精靈的意思，它優(yōu)雅的白色流線型外形也確實配得上精靈這個稱呼。 Phantom尺寸比 大的多，抗風性更好，還具有內(nèi)置 GPS導航功能，可以在戶外很大的范圍內(nèi)飛行。特別地，與傳統(tǒng)的飛機和直升機航拍不同，多旋翼系統(tǒng)小巧靈活，能讓拍攝者自由地控制角度和距離。 “人類對飛行的夢想是與生俱來的。我相信在未來的十年之內(nèi)，無人機行業(yè)會逐步壯大，我們今天產(chǎn)生的所有想法基本都會實現(xiàn)，更多的想法也會逐步被實現(xiàn)，利用無人機的應用越來越多，無人機將會變成我們生活不可或缺的部分。在設計過程中，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 。當然，飛行器的狀態(tài)也可以通過無線發(fā)送到遙控器端，遙控器通過顯 示器可以清晰的觀察當前的狀況。吉林建筑大學學士學位論文 5 第 2 章 總體方案設計 總體設計原理 本次設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。遙控器通過采集蘑菇頭搖桿電位器 ADC 電壓值以及按鍵狀態(tài)發(fā)送給飛行器。飛行器軟件設計主要是 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，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)。飛行姿態(tài)控制是四軸飛行器設計核心部分之一。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吉林建筑大學學士學位論文 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。本次設計選用的是 32位的基于 ARM CortexM3 為內(nèi)核的 NXP LPC154作為中央處理器， 設置 72M的時鐘頻率，完全能達到設計的要求。本次電源設計模塊選用 CAT6219作為 轉(zhuǎn) 穩(wěn)壓芯片； CAT6219 的低壓差的優(yōu)點完全符合設計要求，遙控還使用了 ； ADC電位器做參考電壓使用。本吉林建筑大學學士學位論文 7 次設計采用 NRF24L01 無線通信模塊，選著此模塊的原因是因其通信協(xié)議簡單、傳輸距離相對較遠、價格低廉等優(yōu)點。 本次設計之所以選用 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。本設計采用 SI2302 N溝道型 MOS管，其具有低開啟電壓大電流并且價格便宜等優(yōu)點，電路設計也很簡單。 系統(tǒng)軟件設計方案 本次設計軟件部分包括遙控器程序設計和飛行器程序設計。 飛行器程序設計部分主要包含無線 NRF24L01接收、讀取 MPU6050的數(shù)據(jù)并通過四元數(shù)濾波計算（ IMU）以及 PID 自動控制、電機 PWM 產(chǎn)生以及控制、 LED狀態(tài)燈等 ，飛行器軟件涉及 SPI通信協(xié)議驅(qū)動、 I2C通信協(xié)議驅(qū)動等。與早期 Protel 99SE以及 Protel DXP2020軟件相比， Altium Designer Summer 09功能更加完備、風格更加成熟，并且界面更加靈活操作也簡單，尤其是在仿真和 PFGA 電路設計方面有了重大的改進，擺脫了 Protel 前期版本基于 PCB設計的產(chǎn)品定位，顯露出一個普及型全線 EDA產(chǎn)品嶄新的面貌。 總體電路設計 遙控器總體電路設計 在 本次硬件 電路設計中， 原理圖 采用 把每個模塊分開來繪制，然后 在所需接口上使用連接口連接，這 使得 整個遙控器電路圖 能夠 直觀的顯示 其中 包括了哪 些模塊單元 ，并且每個模塊之間 的 連接 也 非常清楚 。遙控器硬件電路總圖如圖 31 所示。 在 電源模塊中， 可 輸入 5V直流電源或 輸入 源 。從該模塊還 能看 出 電源輸出的有 。 TXDRXDSW_CLKSW_DIOAGNDGNDNRF_LEDLED[0..4]SYS_RSTGAS_FlyYAW_FlyLEFT_FlyRIGHT_FlyPROWERNRF_CSNNRF_IRQNRF_MISONRF_MOSINRF_CENRF_SCKSDINSCLKLCD_DCLCD_CETUN[0..3]LEFT_RotateRIGHT_RotateBEEPLCD_RSTLCD_BLACKDesignator01. 最小系統(tǒng) .SchDocVIN_5VAGNDGNDDesignator02. 電源電路 .SchDoc12J1電池接口GNDAGNDGAS_FlyYAW_FlyRIGHT_FlyAGNDLEFT_FlyGNDPOWERDesignator 電路 .SchDocGNDGNDAGNDLED1RUN470R1VCC_5VLED[0..4] Designator 指示燈電路 .SchDocAGNDGNDRIGHT_RotateTUN[0..3]LEFT_RotateGNDDesignator05. 按鍵電路 .SchDocGNDSW_CLKSW_DIOSYS_RES10kR5GNDGNDGNDRXDTXDCH340_D+GNDCH340_DDesignator03. 串口下載電路 .SchDocGNDGND1VCC2CE3CSN4SCK5MOSI6MISO7IRQ8NRF24L01U2NRF24L0110kR210kR3D1Diode 1N41481kR4GND12AX1205F4, 有源BZ1LED[0..4]TUN[0..3]VCC1D2D+3GND5ID4U1USB_MICRO12345678P1LCD 接口S1SWDPDT12345P2JLINK 接口C1104Q1PNP 圖 31 遙控器硬件電路總圖 吉林建筑大學學士學位論文 10 飛行器總體電路設計 BA T +BA T DP 3 V 3AP 3 V 3D G N DA G N D電源 03 . P W R _ CA T 6 2 1 9 3 3 0 TD GT 3 . S ch D o cBA T +D G N DT X DR X DSW D _ CL KSW D _ IOPW M [ 0 .. 3 ]IN TI 2 C _ SCLI 2 C _ SD ADP 3 V 3AP 3 V 3A G N DL E D [ 0 .. 3 ]X T A L _ INX T A L _ OUTRST最小系統(tǒng) 01 . MP U _ L PC 1 5 4 9 . Sch D o cDP 3 V 3AP 3 V 3D G N DA G N DT X DRX DDP 3 V 3D G N DDP 3 V 3D G N DSW D _ CL KSW D _ IOBA T +M G N DPW M [ 0 .. 3 ]電機驅(qū)動 04 . PW M _ SI 2 3 0 2 . Sch D o cBA T +BA T DP 3 V 3IN TI 2 C _ SCLI 2 C _ SD AD G N D傳感器 05 . S E N S O R _ M P U 6 0 5 0 . Sch D o cDP 3 V 3BA T +AP 3 V 3A G N DDP 3 V 3D G N DL E D [ 0 .. 3 ]L E D 燈 06 . L E D _ RBG . Sch D o cDP 3 V 3D G N DD G N DP W M [ 0 .. 3 ]L E D [ 0 .. 3 ]BA T +BA T 12J 5電池接口12345J 7J L IN K 下載12J 6串口接口SY S _ RSTRSTX T A L _ INX T A L _ OUTDP 3 V 3D G N D復位與時鐘 02 . RST _ CL K _ CA T 8 1 1 . Sc h D o cSY S _ RSTDP 3 V 3D G N D 圖 32飛行器硬件電路總圖 飛行器硬件電路圖如圖 32 所示，由圖可知，飛行器硬件電路主要包括電源電路、 MCU最小系統(tǒng)電路、電機驅(qū)動電路、 MPU6050外設電路以及 LED指示燈電路。 電源電路設計 電源是任何電子系統(tǒng)設計的核心，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計的部分。 飛行器電源設計 使用 ， 給系統(tǒng)供電，但是 系統(tǒng)需要兩種電源，一是 MCU和外設需要穩(wěn)定的 ，再者就是飛行器電機 的 供電 。 電源電路設計如圖 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 。 BA T +BA T C 101 0 4+C 91 0 0 μ FV O U T5V IN1BY P4GND2EN3CA T 6 2 1 9 3 3 0 TD GT 3U 4121 N 4 1 4 8D 1R 104 . 7 k ΩR 111 k ΩC 111 0 4+ C 61 0 0 μ FC 70 . 1 μ FC 81 0 4AP 3 V 3A G N DC 131 0 4C 141 0 4DP 3 V 3AP 3 V 3C 151 0 3C 121 0 3FB 1磁珠FB 2磁珠D G N D A G N D231S 1SW SP D TL 13 3 0 mHC 161 0 4DP 3 V 3D G N D 圖 33 電源電路原理圖 在遙控器電源設計中，輸入電壓可以是 5V電電源，用到了兩個穩(wěn)吉林建筑大學學士學位論文 12 壓芯片，一個是 CAT6219， MCU和外設供電；另外用到 ASM1117， ADC搖桿電位器提供電源，作為參考電壓，采用超低電壓的原因是保證采集到的 ADC電壓值不受電池電量的影響而使得數(shù) 據(jù)不準確。 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。 NXP LPC1549具有 4