民用多旋翼航拍无人机飞行的设计初稿(4)(6)

南华大学船山学院毕业论文（或设计）

体积重量等问题，毕竟无数电机的冗余量不大，在保证正常飞行的时候还要做出很多动作，所以我们在设计的时候应该讲所有的模块体积尽量减小，在保证不影响正常飞行的同时注意所有模块高度集中。同时留好冗余扩展空间便于以后其他模块的搭载。

图3.1飞行控制系统框架图

3.1.2飞行控制系统设计方案

根据3.1.1无人机稳定飞行的前提条件，结合相关理论知识。我们将本次无人机飞行控制系统的主设计框架确定为图3.1，该无人机由主控芯片、辅助姿态感知模块、无线数据传送模块、电机动力系统、无线遥控接收模块、航模电源模块以及其他操控台数据处理等模块组成。飞行控制器的工作是将各辅助传感器反馈回来的飞行信号以及操控台传送来的信号进行处理，同时也要完成飞行过程中飞行姿态微调以及控制算法的结算、动力系统信号的精准控制、无线数据图像的传讯等工作，在这款无人机中主控制器采用的是ARM公司生产的STM32F106高性能单片机，辅助状态感知模块主要有、精准三轴陀螺仪，抗干扰三轴磁传感器、高精度三轴加速度计、气压高度计等组成。机上所有模块供电由航模电池组，部

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分特殊电压通过小型变压电路取得。遥控器部分采用的是天地飞公司生产的天地飞9号2.4G遥控器，在后文具体介绍中会体现。无线数据以及图像传输模块采用的是华科尔300MHZ的数据传输模块以及图像传输模块。有效距离子啊1KM左右。

3.2主控制器模块设计

3.2.1主控制器模块选型

无人机上有很多辅助状态感知模块，也是就各类型传感器，无人机要做到精准操控、快速响应，其主控制器的数据处理速度以及反应速度一定要快，处理能力也一定要强。主控制器作为无人机的大脑，直接决定了无人机是否能够稳定飞行，能否做出我们想要的效果，所以主控制器的选择十分重要，我们需要注意的第一个就是处理器处理数据的速度一定要快，需要拥有强大的数据处理能力，同时要保证内部程序在执行过程中的稳定性，不能跑飞或者产生失误。；然后就是处理器必需内部存储空间丰富，能适应各种飞行状态的数据的存储。可适应各类飞行状态；最后还必需拥有足够的冗余接头，以适应飞控在以后功能扩展的需要。综上所述，本次无人机设计采用了ARM生产的一款处理能力强大，可扩展能力强的STM32F106微型控制单片机，这款单片机是基于Cortex-M3内核的微型处理芯片，其强大的功能完全能满足本无人机的相关要求。同时其功耗低、性价比高，能够作为控制系统主要处理器在多种场合使用，并且根据具体使用者的使用需求，STM32F103单片机还分为为功能型和加强型两个版本。为更多使用者提供了选择的空间。本次设计选用功能强大的STM32F103单片机。

图3.2 STM32F103RET6芯片实物

STM32F103RE同类型单片机的CPU处理速度最高可达到72MHZ，ROM内存

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512K，同时还有64K的RAM空间，其中12位的数模转换端口有3个。其模块自带高精度温度传感器，不仅可以测量单片机本身的温度，其测量的数据还可以作为整个控制系统温度的参考数据。然后该款单片机还拥有四个16位的一般定时器和两个高级定时器，并且还拥有一个12口的DMA ，另外还有附加的SPI数据传输口、串口通信口、CAN口、I2C通信口、USB口等等，其外部扩展资源非常丰富，外部扩展IO口数量高达51个。

3.2.2STM32主控制器硬件设计

无人机飞行控制系统硬件部分主要由单片机、电池组供电模块、复位模块、JTAG等模块组成。单片机处理器是整个飞控的核心部件，其电路图如图3.3所示。

图3.3 主控制器电路接线图 STM32单片机需要解决以下几个问题：

（1）进行传感器数据的采集，并且将采集回来的数据根据事先植入的算法进行无人机飞行姿态以及其他相关信息的分析处理。

（2）能够通过遥控接收机接受地面操控平台传输回的信号，将传回来的的信号通过电子调速器实现对无刷电机的精准控制。同时根据相关的飞行模式信号自主切换手动操控模式或自主飞行模式；

（3）能够自动调节PID的大小保证在飞行过程中各个动作的平稳性，在悬停模

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式下能够使无人机的自动校准平衡；

（4）能够将各类型辅助状态感知系统采集回来的数据经过处理之后传送回地面操控平台，并且保证数据传输的及时性和高保真性。

飞行控制器的动力全部由航模电池组模块提供，航模电池组模块是能保证飞控工作的基本条件。电源电路如下图所示。

图3.4 电源电路接线图

晶振电路是向控制器提供固定云顶速度的电路，单片机的运行速度由外带的晶振直接决定，所以该部分电路的重要性可想而知。根据单片机设计惯例和经验来说，对于在单片机外部加入晶振这种做法能够使得单片机运行更稳定，单片机处理速度还可以根据外部加入的不同晶振来改变。所以本次设计中STM32单片机也采用外部晶振的做法来提供时钟。根据以上条件，在本次设计中选择的是外置无缘晶振。同时为了便于无缘晶振更迅速的起振，采取了加入一个1M普通电阻的做法。

图3.5 时钟电路以及复位电路

3.3传感器模块的选择

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3.3.1 IMU传感器模块选择

无人机采用

IMU的目的是通过一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计来检测物

体的加速度状态及具体数值。三轴陀螺仪用于检测角速度变化量，所以无人机通过IMU收集的数据即可计算出无人机的飞行状态以及当前的航向角等。 3.3.1.1 IMU 模块分析

MPU-60X0 作为全球第一款九个方位的运动传感器。集成了众多高端的技

术。这款传感器综合了三轴美斯加速度计和三轴美斯陀螺仪，同时还加人了可以进行扩充的 DMP（Digital Motion Processor），在选择DMP之后内部系统即可利用I2C传输模式与其他的信号传感器进行交互连接，类似于磁力计等。在通过内部处理之后就可利用其自带的I2C数据口（或 SPI通信口）将检测到的九轴的信号传输给单片机。同时，该测量单元还能够利用其自带的I2C数据通信口与其他的数字传感器进行连接，类似于压力传感器等。MPU6050的系统结构如图3-所示。IMU先是对自身的位置情况进行检测，将检测到的三轴加速度信号和三轴角速率信号分别经过一个16为的AD转换器来转换，转换之后，将信号通过信号修整后储存到IMU的内部存储器，然后利用I2C数据通信口将修整后的信号数据传送出去。

图3.6 MPU6050的系统结构

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