硬件設計熱門培訓內容之微型四軸飛行器

時間:2018-12-06 16:54:31

1 硬件設計
機身的設計有兩種選擇,其一是使用已經成型的機架,在搭載自己的飛控板來組成,但由于業界對微四軸關注度較小,不容易找到成型的微型機架,于是我選擇的方案二,就是使用PCB電路板直接作為飛行器的骨架。好處在于能夠使飛行器渾然一體,減少組裝,降低成本,并且還能自定義外形。 
硬件電路由8個部分組成,分別是單片機的最小系統、穩壓電路、升壓電路、電機驅動電路、電源濾波電路、姿態傳感器電路、通信模塊電路、充電電路.將全部放置在一張10cm*10cm大小的PCB板上,以電流為索引。


1.1充電電路設計
首先從充電電路開始,我選擇了是一款已經久經市場考驗的充電IC TP4056,他有高達1A的可編程充電電流,并且具備各種狀態提示功能,還具有恒壓恒流和熱調節功能,是一款不錯的充電芯片,電路如圖。該電路是整個系統的一個輔助電路,能夠幫助微四軸飛行器在不拆卸電池的情況下直接充電,提高使用者的體驗。芯片中CHRG和STDBY兩個引腳分別控制綠燈和紅燈的亮滅。當正在充電的時候,CHRG將輸出高電平,紅燈亮,充滿后恢復低電平,同時STDBY引腳將會輸出高電平,綠燈亮起。PROG引腳是電流控制引腳,當接上1.2K電阻時,能夠使其充電電流達到1A。TEMP是溫度反饋引腳,接入地能夠在短路情況下迅速反應。 


1.2升壓電路設計
升壓電路我選擇和很多種類,最后選擇了ME2108A50這一款芯片,主要原因在于其外圍期間少,這對于本身空間小的飛行板來說格外重要,并且這個芯片是經過我長期測試能夠確保穩定的。整個電路中并沒有一個期間需要5V的電壓,但是卻還是需要一個升壓5V的芯片,主要原因在于輔助穩壓芯片使用能夠使其通訊芯片和單片機獲得更寬的使用電壓。電路如圖 


1.3穩壓電路設計
Mic5219是一款低壓差的穩壓芯片,具有500mA的峰值電流。實際上是可以直接從4.2V的鋰電池電壓轉化為3.3V的電壓供給各個電路的,但當電壓低于3.3V時,該芯片就不能工作了,也就在在電機工作的時候,電壓會被拉低,這種情況下,低于3.3V的電壓是不能使其很多電路正常工作的,于是就需要搭配升壓電路。而且穩壓電路之所以使用兩個重復電路主要原因是防止電機運動下電路過大,單個芯片無法承受,兩個穩壓芯片分別對不同的電路進行穩壓。


1.4 電機驅動電路設計
由于電機是空心杯電機,驅動模式能夠直接利用一個簡單的放大電路。但是三極管是無法滿足的,在四個電機運行的情況下,電流是比較大的,這種情況三極管是不能作為開關電源的,于是我選擇了MOS管,它不僅有更低的功耗,還適應高頻高速電流和大電流的狀況,正好滿足作為驅動芯片的條件。使用的是SI2302的N溝MOS管柵極門限電壓為2.5V,漏極電壓為20v。


1.5 傳感器、通信芯片、單片機最小系統電路設計
地磁感器我選擇了目前航模普遍使用的HMC5883。他可以輸出當地的三軸磁場強度。通信方式均為IIC,這種通信方式要注意把該兩條通信線拉高。并且在布線的時候經量不要將電源線與通信線交疊。芯片的電路是按照該芯片的數據手冊提供的典型應用電路設計,圖是磁力計HMC5883的外圍電路圖,該傳感器具備能在正負8高斯的磁場環境中分辨5毫高斯的能力,這樣在用它作為羅盤定位航向的時候就能達1°到2°的精度,并且它最大的輸出頻率有160Hz,這很滿足微型四軸無人機系統對數據更新頻率的要求。 

MPU6050上集成了加速度計和陀螺儀,三軸加速度和三軸角速度的 均是一個16位的ADC,能夠通過軟件進行分辨率的設置來適應各種場景。由于它較高的性價比,選擇這款運動傳感器芯片是十分符合微型四軸無人機系統的。 

通訊我選擇了ESP8266這一款WIFI模塊,該模塊高度集成了一個32位MCU和板載天線,有著小巧的身形,完整的配置接口和可靠的性能,是一個出色的wifi網絡解決方案。

主控芯片我選擇了運用TI公司的STM32F103C8T6這款主打高性能的芯片[3],原因有三,其一是它具備強大的運算能力以及龐大的外設功能,十分滿足作為飛行控制芯片的職能[4]。其二是對該芯片的知識儲備相當充足,經過了兩年的使用經驗,能夠更好的發揮它的性能,并且提升開發速度。其三是其價格便宜,非常適合進行研究和實驗且TI對該芯片提供了詳細的資料。

2 元器件及其封裝設計
旋槳向下的首先姿態傳感器需要放在到整個板子的正中間,這樣數據才能保證輸出的準確性。其次將WIFI芯片放在的飛行尾部,并且由于是高頻電路,不能在該模塊板子下面走線。電源線和信號線也最好不要有交叉,電源電路和其他電路需要分開,驅動電路靠近電機,且相應的電源線粗與標準值,該版本的電路板我將絕大多數元器件都放置到了正面,為下面放置電池騰出空間。 


容電阻的封裝我都選用了0603類型,主要是考慮到需要手工焊接和空間的問題,之后可以替換成更小封裝以減輕機體重量。接口通常都選擇較小間距的1.25mm端子封裝,能明顯節省空間。WIFI模塊選擇了該廠商的貼片型封裝,經量減小覆蓋面積。器件擺放經量均勻分布在四個區域,保證不會一邊過重。在繪制完成器件的PCB封裝后,可以去專門的3D封裝網站下載對應的3D封裝,匹配和可以導入3D設計圖,其中部分封裝是在實現時經過測試得出的,具體情況會在之后的實現部分講明。 


3 其它硬件選型
微四軸的電機不同于平臺四軸飛行器,我選用了720空心杯電機,原因在于其較小的體積和較高的效率。轉速高達45000RPM,電機直徑7MM,長20MM,重3g。對于微四軸,該類型電機在轉速和重量方面都比較符合要求。由于我將4個電機孔設置在了10*10底板的四個對角上,于是能夠配置75MM的槳葉。微四軸無法搭載過重的東西,電池的重力就比較考究,我這里選擇的是650mAh的鋰電池,放電倍率30c,重18g。

 

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