基于单片机简易四轴飞行器设计 电路方案

四轴飞行器具备VTOL(VerticalTake-OffandLanding,垂直起降)飞行器的所有优点,又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点,具有广阔的应用前景。可应用于军事上的地面战场侦察和监视,获取不易获取的情报。能够执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务,可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。工业上可以用在安全巡检,大型化工现场、高压输电线、水坝、大桥和地震后山区等人工不容易到达空间进行。 本设计主要包括遥控器和飞行器两大部分,其中央处理器CPU均采用STC15W4K58S4,IAP15W4K58S4(既能仿真又能USB直接下载程序),是目前STC 最先进的芯片之一,内部资源十分丰富,具有58K字节程序存储器,4096字节数据存储器,5个定时器,4个独立串口,8通道10位高速ADC转换器, 1个SPI接口支持主机与从机模式、2路CCP/PCA/PWM、6路带死区控制的专用PWM、1个比较器等,支持USB直接下载程序和串口下载程序,内部集成有高精度R/C 时钟与高可靠复位电路,支持2.5~5.5V宽工作电压范围。飞行器与遥控器之间的无线通信采用2.4GHz通信频段的NRF24L01模块,NRF24L01模块与MCU之间通过SPI协议以1MHz的通信速率通信;飞行器端搭载有3轴加速度计与三轴陀螺仪融合一体的MPU6050惯性测量单元作为姿态欧拉角测量单元,MPU6050与飞行器MCU之间通过I2C协议以400Hz的频率进行通信;飞行器端MCU通过接收无线数据以及采集MPU6050数据通过四元数互补滤波计算出的欧拉角,再进行电机PID自动控制,最终以20KHz的PWM通过MOS管来驱动空心杯820直流有刷电机,得以实现遥控四轴飞行器的设计。 2.1设计硬件系统各模块功能介绍 2.1.1MCU控制中心 MCU是飞行器和遥控器的控制中心,是它们的大脑,主要功能是收集数据和处理数据并且做出指示。本次设计选用的是STC15W4K58S4作为中央处理器,设置72M的时钟频率,完全能达到设计的要求。 2.1.2电源模块 电源模块起着为系统充能量的作用,任何电子系统没有了电源,系统肯定会瘫痪,所以电源起着至关重要的作用。本次电源设计模块选用CAT6219作为3.7V转3.3V稳压芯片;CAT6219的低压差的优点完全符合设计要求,遥控还使用了ASM1117-2.5作为3.7V转2.5V的稳压芯片;2.5V电压用于给ADC电位器做参考电压使用。 2.1.3通信模块 通信模块在整个系统中起着信号交流的作用,遥控器通过MCU读取的按键信息以及油门方向值发送到飞行器端,飞行器端接收到之后做出相应的动作。本次设计采用NRF24L01无线通信模块,选着此模块的原因是因其通信协议简单、传输距离相对较远、价格低廉等优点。 2.1.4惯性测量单元 惯性测量单元主要是在飞行器飞行过程中实时检测姿态的传感器,对于飞行器想要平稳飞行来说具有极其重要的作用。本次设计之所以选用MPU6050作为姿态传感器作为惯性测量单元,是因其具有跟MCU之间进行I2C数据传输,传输速率为400KHz,通信协议简单、价格低廉等优点。 2.1.5电机驱动 电机驱动部分主要是MCU通过控制PWM然后控制MOS管打开和闭合作为开关从而控制电机的转动。本设计采用SI2302N沟道型MOS管,其具有低开启电压大电流并且价格便宜等优点,电路设计也很简单。 2.1.6LED状态指示 在硬件电路设计中,LED首先必须要有电源指示灯,判断系统是否上电;其次需要有信号指示灯,指示遥控器和飞行器是否通信;最后就是状态显示LED灯显示飞行器状态等等。