306
四軸飛行器具備VTOL(VerticalTake-OffandLanding，垂直起降)飛行器的所有優(yōu)點(diǎn)，又具備無(wú)人機(jī)的造價(jià)低、可重復(fù)性強(qiáng)以及事故代價(jià)低等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景?？蓱?yīng)用于軍事上的地面戰(zhàn)場(chǎng)偵察和監(jiān)視，獲取不易獲取的情報(bào)。能夠執(zhí)行禁飛區(qū)巡邏和近距離空中支持等特殊任務(wù)，可應(yīng)對(duì)現(xiàn)代電子戰(zhàn)、實(shí)現(xiàn)通信中繼等現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)模式。在民用方面可用于災(zāi)后搜救、城市交通巡邏與目標(biāo)跟蹤等諸多方面。工業(yè)上可以用在安全巡檢，大型化工現(xiàn)場(chǎng)、高壓輸電線、水壩、大橋和地震后山區(qū)等人工不容易到達(dá)空間進(jìn)行。
本設(shè)計(jì)主要包括遙控器和飛行器兩大部分，其中央處理器CPU均采用STC15W4K58S4，IAP15W4K58S4(既能仿真又能USB直接下載程序),是目前STC 最先進(jìn)的芯片之一,內(nèi)部資源十分豐富,具有58K字節(jié)程序存儲(chǔ)器,4096字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,5個(gè)定時(shí)器,4個(gè)獨(dú)立串口,8通道10位高速ADC轉(zhuǎn)換器, 1個(gè)SPI接口支持主機(jī)與從機(jī)模式、2路CCP/PCA/PWM、6路帶死區(qū)控制的專用PWM、1個(gè)比較器等,支持USB直接下載程序和串口下載程序,內(nèi)部集成有高精度R/C 時(shí)鐘與高可靠復(fù)位電路,支持2.5~5.5V寬工作電壓范圍。飛行器與遙控器之間的無(wú)線通信采用2.4GHz通信頻段的NRF24L01模塊，NRF24L01模塊與MCU之間通過(guò)SPI協(xié)議以1MHz的通信速率通信；飛行器端搭載有3軸加速度計(jì)與三軸陀螺儀融合一體的MPU6050慣性測(cè)量單元作為姿態(tài)歐拉角測(cè)量單元，MPU6050與飛行器MCU之間通過(guò)I2C協(xié)議以400Hz的頻率進(jìn)行通信；飛行器端MCU通過(guò)接收無(wú)線數(shù)據(jù)以及采集MPU6050數(shù)據(jù)通過(guò)四元數(shù)互補(bǔ)濾波計(jì)算出的歐拉角，再進(jìn)行電機(jī)PID自動(dòng)控制，最終以20KHz的PWM通過(guò)MOS管來(lái)驅(qū)動(dòng)空心杯820直流有刷電機(jī)，得以實(shí)現(xiàn)遙控四軸飛行器的設(shè)計(jì)。
2.1設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)各模塊功能介紹
2.1.1MCU控制中心
MCU是飛行器和遙控器的控制中心，是它們的大腦，主要功能是收集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)并且做出指示。本次設(shè)計(jì)選用的是STC15W4K58S4作為中央處理器，設(shè)置72M的時(shí)鐘頻率，完全能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。
2.1.2電源模塊
電源模塊起著為系統(tǒng)充能量的作用，任何電子系統(tǒng)沒(méi)有了電源，系統(tǒng)肯定會(huì)癱瘓，所以電源起著至關(guān)重要的作用。本次電源設(shè)計(jì)模塊選用CAT6219作為3.7V轉(zhuǎn)3.3V穩(wěn)壓芯片；CAT6219的低壓差的優(yōu)點(diǎn)完全符合設(shè)計(jì)要求，遙控還使用了ASM1117-2.5作為3.7V轉(zhuǎn)2.5V的穩(wěn)壓芯片；2.5V電壓用于給ADC電位器做參考電壓使用。
2.1.3通信模塊
通信模塊在整個(gè)系統(tǒng)中起著信號(hào)交流的作用，遙控器通過(guò)MCU讀取的按鍵信息以及油門方向值發(fā)送到飛行器端，飛行器端接收到之后做出相應(yīng)的動(dòng)作。本次設(shè)計(jì)采用NRF24L01無(wú)線通信模塊，選著此模塊的原因是因其通信協(xié)議簡(jiǎn)單、傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。
2.1.4慣性測(cè)量單元
慣性測(cè)量單元主要是在飛行器飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)姿態(tài)的傳感器，對(duì)于飛行器想要平穩(wěn)飛行來(lái)說(shuō)具有極其重要的作用。本次設(shè)計(jì)之所以選用MPU6050作為姿態(tài)傳感器作為慣性測(cè)量單元，是因其具有跟MCU之間進(jìn)行I2C數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率為400KHz，通信協(xié)議簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。
2.1.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分主要是MCU通過(guò)控制PWM然后控制MOS管打開(kāi)和閉合作為開(kāi)關(guān)從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用SI2302N溝道型MOS管，其具有低開(kāi)啟電壓大電流并且價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，電路設(shè)計(jì)也很簡(jiǎn)單。
2.1.6LED狀態(tài)指示
在硬件電路設(shè)計(jì)中，LED首先必須要有電源指示燈，判斷系統(tǒng)是否上電；其次需要有信號(hào)指示燈，指示遙控器和飛行器是否通信；最后就是狀態(tài)顯示LED燈顯示飛行器狀態(tài)等等。
