多旋翼無人機(jī)硬件電路設(shè)計和實現(xiàn)探討

摘要：本文主要是從控制原理、電源模塊、電源管理和傳感器設(shè)計這四個角度論述多旋翼無人機(jī)硬件電路設(shè)計過程。

關(guān)鍵詞：多旋翼無人機(jī)；硬件電路設(shè)計；實現(xiàn)路徑

0.引言

近年來，多旋翼無人機(jī)受到了廣泛關(guān)注，不論是在學(xué)校還是網(wǎng)絡(luò)上都可以聽到相關(guān)消息，由此可見無人機(jī)已經(jīng)走進(jìn)人們的生活。發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因是人們對無人機(jī)的興趣和需求已經(jīng)達(dá)到了一定的高度，從而推動了多旋翼無人機(jī)的迅猛發(fā)展，人們對無人機(jī)備受青睞的主要因素有體積小、便于操作，即使在很狹小的地方它都可以起飛，人們可以利用它進(jìn)行空中拍攝。當(dāng)前，多旋翼無人機(jī)正在飛速發(fā)展，未來很有可能像智能手機(jī)一樣被人們普遍使用。

1.控制原理

無人機(jī)控制主要包括兩部分，分別由高端處理器和低端處理器組成，高端處理器和低端處理器都選用32位的ARM架構(gòu)超低功耗芯片，根據(jù)各芯片的不同功能它承擔(dān)著不同的職責(zé)，譬如角速度信號、電子羅盤和加速度等工作由高端芯片來實現(xiàn)，而低端芯片主要是接收高端芯片處理后的姿態(tài)信息，然后把姿態(tài)信息解算成PWM信號驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而確保飛機(jī)能夠在預(yù)定的高度飛行[1]。

2.電源模塊

2.1電源濾波電路

在當(dāng)今時代，無論哪一種電子設(shè)備都面臨著電磁干擾的問題，為了預(yù)防本電路設(shè)計中電磁干擾對電路性能產(chǎn)生重大影響，本設(shè)計著重對傳導(dǎo)干擾中的電源線傳導(dǎo)干擾采取防御措施。一般情況下，主要是使用EMI濾波器抑制電源線干擾，濾波器的特性主要是通過插入損耗來表示。在使用過程中，即使EMI濾波器的插入損耗設(shè)計達(dá)標(biāo)，也有可能受到負(fù)載阻抗和源阻抗的變化影響，因而無法取得理想的濾波效果。因此，在選取濾波器的時候應(yīng)選擇指標(biāo)較高的濾波器作為電路元器件，其中的耐壓值為16伏特，最大通過電流為2安培，主要用于抑制高頻諧波對電源線的干擾。

2.2插入損耗的測量

對插入損耗的測量一般在終端阻抗達(dá)標(biāo)時執(zhí)行，輸入輸出的阻抗應(yīng)為50歐姆。在實際測量中，可以通過多種方式測量插入損耗，譬如頻譜儀和信號跟隨器等，通過對比濾波器前后的信號頻率衰減程度就可以判斷濾波的好壞，在整個頻率范圍內(nèi)應(yīng)著重關(guān)注最小插入損耗，確定了濾波器內(nèi)部參數(shù)以后，就無法控制輸入輸出的阻抗大小，因此無法達(dá)到理想的濾波效果。在選用濾波器時應(yīng)根據(jù)自身需求選擇較好的濾波器，這樣可以有效減小輸入輸出阻抗變化引起的濾波性能下降[2]。

3.電源管理

3.1主電源管理

多旋翼系統(tǒng)主要是使用鋰電池供電，為了防止鋰電池放電導(dǎo)致電路出現(xiàn)故障，本設(shè)計選用了BQ24315對輸入電壓、電池電壓和電流進(jìn)行監(jiān)控，BQ24315可以把大于5.5伏特的輸入電壓轉(zhuǎn)化為恒定的5.5伏特輸出電壓，并提供過壓和過流保護(hù)。此外，它還具有防高溫的功能，用戶可以自己設(shè)置過流閾值。整個供電系統(tǒng)從接插件上引入控制板，并將引入電源分為3路，每路的走線分散到3片BQ24315電源管理芯片上。

3.2掉電保護(hù)

VBAT輸入在系統(tǒng)掉電和低功耗模式下是一個32字節(jié)寄存器文件供電，此引腳連接設(shè)備使用鋰電池的正極，并通過FMU-VDD-3V3電源為其充電，并維持電壓的穩(wěn)定，然后采用NSR30CM3器件連接備用電池。在實際運(yùn)用時，應(yīng)在靠近MCU的地方放置一個0.1uF的旁路電容，從而降低電源切斷事件的發(fā)生率。NSR30CM3T5G具有超低前向壓降和傳導(dǎo)損耗，可以快速切換電源，在系統(tǒng)掉電時就能把電源切換為MCU和特定寄存器，從而系統(tǒng)數(shù)據(jù)以防丟失。該器件一般可以在-45-85攝氏度情況下正常工作，還可以用于軍事，當(dāng)電源發(fā)生故障時，可以擊穿其中一只二極管放電，從而保護(hù)電路的正常運(yùn)行。因此，本設(shè)計在其他電源部位也添加了該器件。

4.傳感器設(shè)計

4.1氣壓計

由于多旋翼無人機(jī)是在空中飛行，所以需要實時測量其飛行高度，比如說可以把它固定在某個高度，然后利用氣壓計測量其高度[3]。本設(shè)計中選用了兩個氣壓計，其中一個是MS5611-01BA傳感器，這種傳感器可以同時支持I2C和SPI接口，并適用于不同接口的芯片設(shè)計，而且不需要降低內(nèi)部編程的難度，用戶使用時更加方便，系統(tǒng)設(shè)計也擁有更大的空間。另一個是BMP280絕對氣壓傳感器，這種傳感器適用于小型移動設(shè)備，譬如手機(jī)、手表和手環(huán)等設(shè)備。BMP280是運(yùn)用壓阻式技術(shù)研發(fā)的壓力傳感器，該傳感器的精度高、線性度高、魯棒性高，而且支持電磁兼容，在控制設(shè)備時具有極高的靈活性。

4.2加速度計

MPU-60X0九軸運(yùn)動處理傳感器主要包括3軸MEMS陀螺儀、可擴(kuò)展數(shù)字運(yùn)動處理器和3軸MEMS加速度計，它是可以用于I2C接口連接第三方數(shù)字的傳染器。 MPU-60X0的設(shè)計架構(gòu)減少了加速度計對溫漂和制造參數(shù)的靈敏度，將其置于水平面時可以測出X、Y軸方向的加速度為0，Z軸的加速度為+1g。該加速度計的尺度因子在出廠時已經(jīng)被驗證過，而且獨立于電壓源，其數(shù)字輸出量可以智能調(diào)節(jié)，通過I2C或SPI接口就可以與外部設(shè)備通信。 MPU-60X0對加速度計和角速度計使用了3個16位的ADC，將檢測模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，用戶通過設(shè)置傳感器檢測范圍就可以跟蹤快速運(yùn)動和慢速運(yùn)動。

5.結(jié)語

雖然本文設(shè)計的電路基本能夠?qū)崿F(xiàn)無障礙平穩(wěn)飛行，但是還存在一些不足，比如說飛機(jī)需要躲避高壓線障礙，還要克服非電磁引起的信號干擾，另外還有一些較小的障礙物檢測仍待改進(jìn)。飛機(jī)必須在距離高壓線5-6米的距離才能穩(wěn)定飛行，而且高壓線障礙太過細(xì)小很難檢測。因此，要想實現(xiàn)高壓線與飛機(jī)距離的檢測還存在一些困難，目前可以在距離高壓線10米左右的范圍分辨出塔上銷釘檢測結(jié)果也能達(dá)到巡檢要求，而且漏檢率較低。隨著飛行器的不斷發(fā)展，其應(yīng)用價值和應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，未來將會有更多的人加入到多旋翼飛行器研究事業(yè)中，為我國航天航空事業(yè)的發(fā)展做出更多的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 龔俊杰.電力巡檢多旋翼無人機(jī)硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2016，13（01）：23-24.

[2] 李旭陽.小型多旋翼無人機(jī)飛行控制器研究[D].西安電子科技大學(xué)，2014，11（02）：18-19.

[3] 薛亮.多旋翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京航空航天大學(xué)，2016，17（03）：25-26.

作者簡介：陳洛涎（1986.8）男；民族：漢族；籍貫：廣東省。單位：佛山市安爾康姆航空科技有限公司；職位：組長；學(xué)位：大學(xué)?？啤ndprint