新型无人机操控电子飞控系统最小系统的设计毕业论文.docx

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新型无人机操控电子飞控系统最小系统的设计毕业论文

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摘要

本次研究的课题是设计一款基于单片机的新型无人机操控电子飞控系统的最小系统。

这个最小系统作为无人机的大脑，可以通过信号指令控制无人机完成相应的动作，所以它在无人机中的作用至关重要，因此，本文围绕新型无人机操纵电子飞控系统的最小系统进行设计。

整个系统总共分为五个部分，以单片机为核心，通过传感器对无人机姿态进行检测并获取数据，由电机驱动模块负责带动旋翼给无人机提供动力和方向，电源模块给予供电，还有一些外部串口，可用来连接通讯模块，进而与遥控进行连接，将五部分结合起来形成新型无人机操控电子飞控系统的最小系统。

在整体的设计计划中，首先要确定主要元器件的型号，然后大概构建一个系统框图。

通过分析系统框图来具体连接电路，完成电路图的搭建，并绘制出最小系统的原理图与PCB图。

关键词：

无人机控制单片机最小系统接口传感器电机驱动

Abstract

ThesubjectofthisstudyistodesignanewtypeofuAV-basedelectronicflightcontrolsystem.Thisminimumsystem,asthebrainofadrone,cancontroltheactionofthedronethroughsignalcommand,soitsroleinthedroneisveryimportant,sothispaperisdesignedaroundthenewUAVoperatingelectronicflightcontrolsystemofthesmallestsystem.Thewholesystemisdividedintofiveparts,withthemicrocontrollerasthecore,throughthesensortodetectthedroneattitudeandobtaindata,bythemotordrivemoduleisresponsiblefordrivingtherotortoprovidepoweranddirectiontothedrone,powersupplymodule,therearesomeexternalserialports,canbeusedtoconnectthecommunicationmodule,andthenconnectwiththeremotecontrol,thefivepartswillbecombinedtoformanewtypeofdronecontrolelectronicflightcontrolsystemminimumsystem.Intheoveralldesignplan,firstdeterminethemodelofthemaincomponents,andthenbuildasystemblockdiagram.Byanalyzingthesystemblockdiagramtoconnectthecircuit,completetheconstructionofthecircuitdiagram,anddrawtheschematicandPCBdiagramofthesmallestsystem.

Keywords:

UAVControlMCUMinimalsystemsInterfacesensormotordrive

第一章绪论

1.1选题目的与意义

本次研究的课题是一个新型无人机操控电子飞控系统的最小系统，近几年来，随着国内外电子信息行业的疾速发展，各种人工智能产品都迅速发展了起来，电子技术也逐渐趋于成熟。

其中，无人机技术的发展最为迅速，其触及的范畴也最为甚广，不管是在军事、商业还是生活上，都有着非常大的用途与研究价值。

例如在军事上，无人机可以灵活自由地高速飞行，可以在高空中完成数据采集和一些通讯工作，同时无人机具有极高的隐蔽性，可以通过无人机的机械结构承载一些监测设备完成一些侦查工作；在商业上，可以轻松地通过无人机完成空中拍摄，而且成本相对人力低很多。

除了航拍之外，如今无人机还普及到了农业领域，人们利用无人机进行播种与施肥，大大提高了效率并减轻了人们的负担；在生活上，当发生自然灾害人们无法立即进入灾区了解灾情时，那么就可以让无人机来完成一些风险系数比较高的工作，比如可以利用无人机向灾区输送救灾物品，同时观测灾区的破环程度，协助人们了解灾区的实情，制定救灾方案，从而可以避免因为未知因素而带来的更多生命隐患。

由于无人机存在着无法估量的价值，因此无人机项目在国内外受到了很多大学、科研机构的关注，成为了当今的一个研究热点。

这次毕业设计课题我之所以选择做无人机最小控制系统共有三个原因，一个是因为无人机涉及的领域十分广泛，有着很大的发展潜力与用途，研究意义重大；第二个是因为无人机项目现在是各大科研机构以及大学的研究热点，可以在网上找到很多开源资料进行借鉴，站在巨人的肩膀上看世界可以少走很多弯路；第三个是因为无人机同时涉及到了软件、硬件与机械方面的知识，与我们电子信息工程专业在大学所学的内容很契合，能够很好地检验我在大学期间的学习成果，能让我结合大学所学的电子理论知识和基本专业技能来思考并解决问题，完成基于单片机的最小系统的设计，来巩固加深我对硬件电路方面的知识等等。

1.2研究现状

无人机是当今社会上的一个钻研热点，市场上已经有很多很成熟的无人机产品，其中各种各样的飞控系统也层出不穷，最为突出的有3DRobotics公司旗下的Pixhawk飞控[1]、美国Dfaganflyer公司的DraganlyerIII和大疆公司旗下的N3多旋翼飞行控制系统。

Pixhawk有两个处理器，一个是善于强大运算的32bitSTM32F427CortexM4核心168MHz/256KBRAM/2MBFlash主处理器，另一个是主要用于工业的32bitSTM32F103协处理器，基于双处理器的特点，所以当主处理器出现问题时，协处理器可以及时替补上主处理器的工作，从而保障了系统的安全，使系统更加稳定[1]，见图1.1。

图1.1Pixhawk飞控系统

DraganflyerII是一架颇有名气的遥控四轴飞行器，它的机体材料不仅用的是碳纤维，同时还有高性能塑料，质量轻且强度高，不容易变形和被损坏，它有三个压电晶体陀螺仪，能够控制飞行姿态，同时还可以控制电机的转速，提高了飞行器的稳定性[2]，见图1.2。

图1.2Draganflyer遥控四轴飞行器

N3多旋翼飞控系统是大疆旗下的新产品，它使用的控制导航算法是最新的，还添加了双IMU备份设置，可将内置数据实时备份，提高了飞行器在飞行过程中的安全系数，N3还设计了内减震结构，使得飞行器的更可靠，见图1.3。

图1.3DJN3飞控系统

当下，飞控系统发展迅速，无人机的应用也随处可见，其市场上的成本也越来越低，因此，飞控系统的研究在电子爱好者行列里备受欢迎，受到了很多小公司以及大学生的青睐和追捧，促使大量的电子爱好者投入到了飞控系统的研究，并设计出了各式各样的飞控系统，比如现在市场上的kk飞控系统，基于51的飞控系统等等。

1.3创新思路

无人机涉及的领域十分广泛，在众多方面都有着很大的应用价值，也因此成为了各大科研机构和技术人才追捧的研究热点。

近年来，无人机的种类层出不穷，主要形式有单旋翼无人机、共轴双旋翼无人机和多轴旋翼无人机等等，而本文引用的是一种共轴式双旋翼的新型无人机[3]，如图1.4所示。

这个新型无人机由机身、旋翼轴、旋翼和驱动装置四部分组成；驱动装置分别与内转轴和外转轴传动连接，分别用来驱动内、外转轴绕自身轴线转动；上旋翼遇内转轴固定连接，下旋翼与外转轴固定连接，如图1.5和图1.6所示；上旋翼和下旋翼沿内转轴的轴向间隔分布通过旋翼轴相对于机身绕固定支点转动，使得机身重力产生的力矩与空气阻力产生的力矩之间相互平衡，从而使共轴式双旋翼新型无人机达到动态平衡，这种无人机操控结构简单，稳定性和安全性高，大大缓解了现有技术中所存在的操控难度大的技术问题[3]。

新型无人机除了与众不同的机械结构之外，其最小系统的设计自然不容小觑。

这个新型无人机操控电子飞控系统的最小系统采用的主控芯片是STM32F103C8T6，这款微处理器是ST在2007年发布的，速度高达400MHz，是一款高性能、低成本、低功耗的32位ARM微处理器，同时新型无人机的最小系统还有复位电路、晶振电路、下载接口、电源、电机驱动、传感器以及一些其他功能接口的模块，其中，电源模块选择了BL85305V升压芯片和XC6206P332MR3.3V稳压芯片，传感器模块则用了mpu6050，可以满足新型无人机的功能开发，同时可以满足开发人员二次开发的需求。

图1.4共轴式双旋翼新型无人机

图1.5新型无人机外观机械结构

图1.6驱动装置内部构造

第二章总体方案设计

共轴式双旋翼新型无人机借助机械结构构造了一个新颖的飞控原理，但是如果没有最小系统的支撑，新型无人机的飞控原理再突出也无济于事，对市场来说最多算是一架漂亮的模型，并不能实现无人机真正的价值。

既然共轴式双旋翼新型无人机已经缓解了现有技术操控难度大的问题[3]，那么完成新型无人机操控电子飞控系统——最小系统的设计，使无人机真正飞行起来，将会使共轴式双旋翼新型无人机技术成为举世瞩目的一项尖端科技。

所以，在新型无人机操控电子飞控系统——最小系统（简称“新型无人机最小系统”）的设计中必须要认真、严谨。

这一章，将会对新型无人机最小系统开始进行设计。

在设计之前，首先要构思好共轴式双旋翼新型无人机需要实现哪些功能。

对无人机来说，飞行肯定是必要的，想要实现飞行功能，那就需要电机，需要在电路中设计电机驱动电路；其次，要检测无人机的飞行姿态，那就需要设计姿态检测传感器电路;想要控制无人机，就需要设计无线通讯电路用来连接遥控器，或者设计蓝牙电路、WiFi电路，用手机软件对其进行操控；同时我们还需要设计好整个系统的电源，保证电源的稳定。

根据共轴式双旋翼新型无人机初步开发要求，其最小系统需要设计电机驱动电路、传感器姿态获取电路、电源电路和一些接口电路。

2.1新型无人机最小系统的组成

在本次设计的新型无人机最小系统中，选择了STM32F103C8T6作为主控芯片，mpu6050用作姿态检测传感器，还有电源电路、驱动电路、下载器接口电路、晶振电路、复位电路和一些用来连接无线通讯模块或者二次开发的外部接口。

大致可分为主控系统、传感器模块、电机驱动模块、电源模块及其他，见图2.1。

图2.1完整飞控系统的各个模块

2.2主控系统的设计分析

主控系统电路包括一块MCU主芯片（STM32F103C8T6）、一个下载器接口、一个晶振电路和一个复位电路，见图2.2。

图2.2主控系统的组成

2.2.1主控芯片的介绍

主控芯片是最核心的部分，所有功能都要依靠主控芯片才能实现，在整个新型无人机最小系统中的发挥着不可忽视的作用。

STM32F103C8T6是本次选用的主控芯片，见图2.3，这款芯片在STM32系列中属于中等容量型的配有ARMCortex-M332位微控制器[4]。

STM32F103C8T6结合了高性能的RISC内核,运行频率可达72MHz,它有2个12位的模数转换器，7通道DMA控制器，80个IO端口，7个定时器和9个通信接口等设计[5]，同时设计了睡眠模式、待机模式和停机模式，使得整个微处理器具有低功耗的好性能，图2.4是主控芯片功能的详细介绍。

图2.3STM32F103C8T6

图2.4STM32F103C8T6数据手册（中文）

从图2.4中可以了解到STM32F103C8T6芯片需要2.0V~3.6V供电，它具有很多输入输出端口且可以满足5V信号，这些电压值符合新型无人机最小系统电源模块的电压输入值；另外，这个芯片支持串行单线调试，还拥有多个IIC接口和USRAT接口，可以满足新型无人机最小系统开发的要求。

（1）主芯片的引脚介绍

下面简略地介绍一下芯片的引脚，本款芯片共有48个引脚，其中用户可配置的引脚有37个，包括16个GPIOA（PA0~PA15）引脚、16个GPIOB（PB0~PB15）引脚、3个GPIOC（PC13~PC15）引脚和2个GPIOD（PD0~PD1）引脚。

GPIO通常可以被配置为通用推挽输出、通用开漏输出、复用推挽输出、复用开漏输出、模拟输入、上拉输入、下拉输入和浮空输入八种模式[6]，但是有几种特殊情况，PA13（SWDIO）和PA14（SWCLK）分别默认为程序下载和调试所用的管脚，不需要去配置；PC14和PC15为外部高速晶振管脚，在使用外部高速晶振时也不需要去配置；PD0和PD1为外部低速晶振管脚，使用外部晶振时也是不需要去配置；图2.5为引脚分布图。

图2.5STM32F103C8T6引脚分布

（2）主芯片连接设计

整个新型无人机最小系统是根据主芯片的引脚功能进行配置拉线，根据芯片的数据手册的及其功能，主芯片的连接框图如图2.6所示。

图2.6主芯片连接框图

从图2.6的连接框图可以知道整个系统电路的总体布局。

根据芯片的引脚特性，下载器与晶振电路通过特定的引脚进行信号连接，复位电路与NRST连接，一路UART信号接预留UART3串口，其中还有两路IIC信号，分别接mpu6050姿态传感器和预留的IIC接口，剩下的4个电机则由四路PWM信号进行控制。

2.2.2下载器接口电路

在进行单片机开发时，只靠硬件是无法实现功能的，还需要编写一些代码。

如果想要单片机按照开发者的指示完成工作，那么就要把代码或者数据写进单片机里，而这个过程就需要用到一个代码烧写工具，我们称之为“烧录器”，也叫下载器。

所以在我们的新型无人机最小系统中就需要设计一个下载器接口电路，通过下载器与计算机进行连接，完成代码烧写或者调试工作。

在本设计中，根据主芯片的功能可知，这个芯片支持串行单线调试JTAG接口调试。

但是JTAG接口有两个不好的地方，一是JTAG接口对插线与拔线的顺序有硬性要求，如果把顺序弄错了就很容易会出现故障甚至会烧坏电路板；二是在使用的过程中经常会检测不到芯片，给使用者带来了很不好的体验。

从以上两点看，我选用了市场上的SWD下载器，这款下载器有5个引脚，分别是3V3电源、接地线（GND）、目标芯片复位线（RST）、SWD数据线（SWDIO）、SWD时钟线（SWCLK），见图2.7。

图2.7SWD下载器接口图示

因此，根据上面查到的相关资料以及主芯片的引脚设置，主芯片的PA13（SWDIO）和PA14（SWCLK）分别默认为程序下载和调试所用的管脚，不需要去配置，所以SWD必须要与这两个引脚连接，而VCC、GND和RESET则需要根据实际情况来添加。

所以本系统的下载器电路可设置4路电路，一路接地，一路接3V3，剩下两路用来接主芯片的SWDIO和SWCLK脚，如图2.8所示

图2.8下载器接口连接

2.2.3晶振电路

晶振是主控系统中必要的一部分，它根据主芯片内部产生原始的时钟频率，为系统提供了基本的时钟信号[7][8]，主芯片所有的指令都要根据晶振所产生的时钟频率来执行，如果没有晶振，主芯片或者CPU就无法处理数据，工作也无法进行下去。

晶振种类有两种，有源和无源。

有源晶振利用石英晶体的压电效应来起振，是一个完整的谐振振荡器，只要供电就能起振工作，信号质量相对要好[9]。

无源晶振要结合芯片内部的振荡电路才可以振荡工作，所以信号质量没有有源晶振好，但是价格却相对便宜很多[9]。

因为STM32F103C8T6主芯片内部有一个16MHz的晶体振荡器，综合以上的情况，选用便宜的无源晶振较为妥当。

本设计运用的是3个引脚的无源晶振，中间引脚使用时要接到GND，两侧的引脚功能相同，可以接到单片机的晶振引脚[9]，需要注意的是两侧引脚不能与单片机直接连接，因为这样的晶振电路会产生谐波，会使电路不稳定甚至会导致停振而使电路不能正常工作。

所以在设计晶振电路时，为了不影响电路的运行，通常会在晶振的两边引脚接入两个瓷片电容，这两个电容可以把电能转换成其他形式的能，用来削减电路中因谐波导致的坏影响和避免停振的情况，保证电路的正常运行，图2.9是STM32系列芯片里的典型晶振电路。

图2.9晶振的典型应用

在上面2.2.1小节中提到，主芯片提供了两对晶振引脚，一对是外部高速晶振管脚PC14和PC15，另一对是外部低速晶振管脚PD0和PD1。

据上述，本电路选用的是3脚的无源晶振，通过参考图2.9，晶振两侧引脚要与主芯片的外部低速晶振管脚（PD0和PD1）连接，中间引脚接地，另外为了保证电路能正常稳定地运行，晶振两侧的引脚在与地连接之间的电路还要分别接入一个瓷片电容，如图2.10所示。

图2.10晶振电路

2.2.4复位电路

显然，复位电路就是把电路恢复到最初状态，避免出现一些“程序跑飞”的异常现象，以便随时接收单片机的指令进行工作。

在新型无人机操控电子飞控系统最小系统中，复位电路也是必要的，如图2.11所示。

复位电路的组件很简单，一般由一个电阻串联一个电容构成，根据设计需求还可以加上一个复位按键。

从复位电路的数据手册可知，NRST输入低电平时，芯片处于复位状态；当NRST从低电平变高时，芯片复位重启。

下面来分析一下新型无人机的复位原理：

上电瞬间，因为这个时候电容要进行充电，电容会有电流流过，所以正在充电的电容C13可以理解成一个通路，这时nRST会与GND连接在一起，输入低电平，根据复位电路的数据手册，这时芯片处于复位状态，无人机回复到最初状态；当电容充满电时，电容的电路就会断开，这个时nRST就会被10K电阻上拉到3.3V，nRST从低电平变成高电平，这时芯片的状态就是复位重启，无人机重新启动。

图2.11复位电路

2.3电源电路设计分析

如果说主控芯片相当于人的大脑，控制着系统每个模块的功能，那么电源则相当于人的心脏，给系统的各个部件提供动力，使系统得以正常运行。

从这个比喻可以明显看出电源对共轴式双旋翼新型无人机的重要性，想要让无人机正常飞行，新型无人机最小系统就必需要有电源模块。

通过对其他飞行器的了解，大部分小型飞行器都是采用1S锂电池（3.7V）发电，电池有内阻，在飞行的过程中由于电机的转动会产生大电流，导致电阻分压，带来很大的电压降，如果直接采用3.3V稳压电路，锂电池的电压就会被拉低，对外输出的电压也就会越来越低，当电压低于3.3V时，稳压电路就会无法正常工作，从而导致飞行器无法正常使用。

为了应对这种情况，网上有电子爱好者提出了两种解决办法，一种是电源模块采用更低压的LDO稳压器，另一种是采用先升压再降压的思路。

通过进一步了解发现，通过升压再降压的方式可以使3.3V稳压输入端有稳定的5V电压提供，为飞行器提供了稳定的电源，更加适合新型无人机电源模块的设计，于是就选用了先升压后降压电路为新型无人机供电，在本系统的电源电路中有两个芯片，分别是BL85305V升压芯片和XC6206P332MR（662K）3.3V稳压芯片，下面我来介绍一下这两款芯片。

BL85305V升压芯片：

这是低静态电流的PFM开关型DC/DC低压差升压集成电路芯片，噪声低，提高了周围电路的稳定性，适合应用于新型无人机这种需要大电流的电源模块，图2.12为BL8530的具体功能特点。

这款芯片有三种封装，每种封装的引脚定义如图2.13所示。

图2.12BL8530功能介绍

图2.13引脚定义

图2.14BL8530的典型应用电路

BL8530的应用电路很简单，所需要的元器件很少，由电感、电容和肖特基二极管组成，如图2.14所示。

它的升压过程是由三极管的通断来完成的，下面通过Multisim来测量一下电压，如图2.15，在充电过程中，三极管导通，这时电流流经电感，二极管起到续流作用避免电容对地放电，随着电感电流增加，一些能量会被电感存储起来，此时电感电压如图2.16所示；放电过程中，三极管截止（断开），因为电感电流的保持特性，电流不能突变，所以流经电感的电流会慢慢变成0，这时电感只能通过另一电路进行放电，此时电容会被电感充电，电压会升高[10]，如图2.17所示，测出输出电压为5V，已经高于输入电压3.3V。

图2.18为升压过程的曲线图。

图2.15BL8530的简化电路

图2.16充电过程

图2.17放电过程

图2.18输出电压

从BL8530的升压原理可知，电源升压电路中的电感有着储能作用，肖特基二极管避免电容对地放电则起到了续流作用，根据图2.14，在电路中还需要在输入端与输出端分别接入有滤波作用的104电容和钽电容，这样可以保证电源更加稳定。

注：

在上面的描述中提到了一种具有滤波作用的电容，在整个系统电路中，这种电容使用的频率很高，那我就简单介绍一下这种电容：

在电路中，芯片或者数字电路开关时会对电源产生很大的影响，容易引起电源的波动，所以在芯片周围正负极电路之间要接上0.1uf的退偶电容，这个电容有滤波的作用，所以又叫滤波电容，电容接入电路时要尽量靠近引脚，可防止电路通过电源形成的正反馈通路而引起的寄生震荡，过滤掉高频噪声。

XC6206P332MR（662K）3.3V稳压芯片：

这个芯片跟所有稳压器的工作原理一样，通过内部的一些电气特性来确保输出电压的稳定，这里就不详细介绍了。

稳压芯片典型电路应用图见图2.19。

图2.19662K典型电路应用

综上，新型无人机最小系统的电源电路可设计成图2.20。

图2.20电源电路

2.4传感器模块

共轴式双旋翼新型无人机依靠上旋翼和下旋翼沿内转轴的轴向间隔分布通过旋翼轴相对于机身绕固定支点转动，使得机身重力产生的力矩与空气阻力产生的力矩之间相互平衡，从而使无人机达到了动态平衡。

为了确保共轴式双旋翼新型无人机的正常飞行即可以完成“前进”、“后退”、“向左”、“向右”、“向上”、“向下”几个动作，除了借助新型无人机优越的机械结构之外，还需要一个姿态获取传感器用来获取新型无人机的姿态，两者结合起来才能使新型无人机可控性飞行。

在新型无人机的最小系统中采用的是市场上较常见的mpu6050作为姿态传感器来获取共轴式双旋翼新型无人机的飞行姿态。

这种芯片价格低廉，资料丰富，还容易焊接，是所有飞行器系统的首选。

mpu6050内部包括3轴加速度计和3轴陀螺仪，分别用来测量加速度和角度，在内部还有一个数字运动处理器（DMP），用来处理接收到的数据，可以完成姿态结算后直接将姿态角输出给主控芯片。

这个芯片共有24个引脚，引脚分布见图2.21，其中SCL和SDA引脚用来与单片机的IIC接口进行连接，完成两者间的通讯，单片机可以通过IIC接口对其控制，从而获取自身三轴的加速度和角速度，图2.22为引脚的输出和信号描述。

图2.21引脚分布

图2.22引脚输出与信号描述

图2.23典型电路应用

通过查阅mpu6050的芯片手册，根据上面图2.22的引脚信号描述和图2.23的典型电路应用图，传感器模块可做如下电路设计：

1号引脚CLKIN接GND；

8号引脚VLOGIC是数字IO口电压，直接接到VDD，为了确保电源的稳定，VLOG