電子信息工程新型無人機操控電子飛控系統(tǒng)-最小系統(tǒng)的設(shè)計

廣東東軟學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）[13]。步進電機之所以能精準定位是因為其角位移量是由脈沖個數(shù)決定的，它是斷續(xù)移動的（見圖2.33），并不是跟提供動力的直流電機一樣連續(xù)轉(zhuǎn)動的，所以無人機方向以及轉(zhuǎn)速可以通過程序去計算步進電機的步距角來進行準確的控制。圖2.33步進電機轉(zhuǎn)動過程圖在新型無人機的電機驅(qū)動電路中，可選NMOS管（高電平導(dǎo)通）用作開關(guān)，D極接電機，S極接地，G極接收主芯片發(fā)出的PWM信號。電機附近還要接入一個0.1uF的濾波電容，用來吸收電機產(chǎn)生的高頻雜訊；同時，在MOS開啟瞬間電流如果過大，會導(dǎo)致瞬間開啟，這時接入一個起到限流作用的電阻可防止縮短MOS管的壽命；另外，在G極與S極連接的電路間要加一個10K的下拉電阻，因為芯片在復(fù)位狀態(tài)下，所有IO口都處于浮空輸入狀態(tài)，加入下拉電阻可以避免在單片機還沒工作即無控制信號時，導(dǎo)致MOS管導(dǎo)通出現(xiàn)電機瘋狂旋轉(zhuǎn)的情況，電路見圖2.34。圖2.34部分電機驅(qū)動電路2.6其他接口共軸式雙旋翼新型無人機的飛行控制原理大大促進了無人機的發(fā)展，有很大的應(yīng)用前景。因此，為了方便二次開發(fā)，在電路中還設(shè)計了一個NRF24101的通訊接口、預(yù)留了一個IIC接口和一個UART3串口，如圖2.35所示，以便未來可以繼續(xù)提高完善新型無人機操控電子飛控系統(tǒng)。NRF24101的通訊接口預(yù)留的IIC接口預(yù)留的UART3串口123456783V3GNDCECSKSCKMOSIMISO\123412343V3SCLSDAGNDUART3_TXUART3_RXGND5V圖2.35接口飛控最小系統(tǒng)的制作在第二章已經(jīng)將整個新型無人機操控電子飛控系統(tǒng)——最小系統(tǒng)的各個模塊進行了分析設(shè)計，并將個別模塊實現(xiàn)了仿真。接下來就要利用AltiumDesigner畫出新型無人機操控電子飛控系統(tǒng)——最小系統(tǒng)的原理圖和PCB圖。3.1工具在校期間，我們學(xué)習(xí)了一個名為AltiumDesigner的軟件，簡稱AD。這個軟件功能強大、操作簡單，可以使電子開發(fā)者輕松完成原理圖的設(shè)計和PCB的繪制。AD更新非?？?，現(xiàn)在已經(jīng)更新到AltiumDesigner20.0.9版本，在本次設(shè)計中，我將會使用AD14來完成新型無人機操控電子飛控系統(tǒng)——最小系統(tǒng)的原理圖與PCB圖。3.2繪制原理圖3.2.1步驟圖3.1原理圖制作流程圖3.1是AD繪制原理圖的大致流程圖，下面將詳細描述一下制作原理圖的具體步驟。（1）打開AD軟件，點擊“文件”→“新建”→“project”建立一個工程文件。（2）點擊“文件”→“新建”→“原理圖”建立一個名為mysch.SchDoc的原理圖文件，保存并添加到之前創(chuàng)建的工程下。（3）按照設(shè)計選擇需要的元器件，如果元器件在默認庫里找不到，可以點擊“文件”→“新建”→“庫”→“原理圖庫”建立一個原理圖庫，然后自己繪制元器件。（4）按照設(shè)計進行拉線，將元器件連接起來。（5）檢查網(wǎng)絡(luò)連接，保存，完成原理圖。3.2.2原理圖新型無人機操控電子飛控系統(tǒng)的——最小系統(tǒng)的原理圖如圖3.2所示。圖3.2原理圖3.3繪制pcb圖3.3.1步驟圖3.3PCB制作流程圖3.3是AD繪制PCB的大致流程圖，下面將詳細描述一下制作PCB的具體步驟。（1）點擊“文件”→“新建”→“PCB”建立一個名為myPCB.SchDoc的PCB文件，同樣要將PCB文件保存并添加到原理圖所在的工程下。（2）確定元器件封裝：在“工具”的“封裝管理器”里尋找合適元器件的封裝元件并“生效執(zhí)行”（如圖3.4）；如果在封裝庫里沒有合適的封裝文件，可以新建一個PCB庫，自己根據(jù)元件的尺寸去繪制元件的封裝。圖3.4選封裝（3）確定好元件封裝后，將原理圖導(dǎo)入PCB。（4）制定板子大?。合仍趉eep_out層按照需要的尺寸畫一個封閉的邊框，然后按shift選中所有邊，點擊“設(shè)計”→“板子形狀”→“按照選擇對象定義”生成板子。（5）設(shè)置規(guī)則：規(guī)則可以根據(jù)自己的需求來修改，這里我是直接導(dǎo)入了一個通用的規(guī)則。（6）先對元器件進行布局，見圖3.5。（7）布局完成后接著完成布線，將元器件連接起來，見圖3.6。圖3.5布局完成圖3.6布線完成（8）其他信號線連起來后，要對GND網(wǎng)絡(luò)鋪銅，見圖3.7。圖3.7鋪銅完成（9）鋪銅完成后要進行設(shè)計規(guī)則（DRC）檢查，不能違反規(guī)則，見圖3.8。圖3.8DRC檢查3.3.2PCB新型無人機操控電子飛控系統(tǒng)——最小系統(tǒng)的PCB如圖3.9和3.10所示，圖3.11為PCB的三維顯示圖。圖3.9正面圖3.10背面圖3.11PCB的三維顯示

總結(jié)這個新型無人機操控電子飛控系統(tǒng)是一個集體項目，采用模塊化設(shè)計方式將電子控制系統(tǒng)分割成多個子系統(tǒng)分成了七個子模塊，分別是最小系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)、通信子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)、通信接口技術(shù)研究、遙控終端設(shè)計與實現(xiàn)、飛行狀態(tài)顯示終端子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)、飛控算法的軟件設(shè)計與實現(xiàn)以及飛行狀態(tài)動畫模擬顯示的設(shè)計與實現(xiàn)。其中我的畢業(yè)設(shè)計負責(zé)的是無人機最小系統(tǒng)的設(shè)計。由于在大學(xué)課堂學(xué)習(xí)的內(nèi)容十分廣泛，對電路系統(tǒng)設(shè)計方面的知識接觸不深，所以要完成這次設(shè)計，首先要圍繞無人直升機的電子控制系統(tǒng)的設(shè)計去復(fù)習(xí)相關(guān)的基本概念和基本方法，特別聚焦在以單片機為核心的電子控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和器件選型，然后還要與其它子系統(tǒng)設(shè)計的同學(xué)保持密切聯(lián)系，約定相應(yīng)的接口標準，最后完成最小系統(tǒng)的設(shè)計。由于在做畢業(yè)設(shè)計之前沒有接觸過stm32，也沒有設(shè)計過電路，再加上自己的專業(yè)知識不扎實，所以在實際的學(xué)習(xí)與設(shè)計中，遇到了很多不懂的問題，導(dǎo)致了最小系統(tǒng)的設(shè)計進展緩慢。通過不斷地查閱資料自我學(xué)習(xí)，最后終于完成了最小系統(tǒng)的設(shè)計并繪制出了原理圖和PCB圖。通過這次綜合的設(shè)計，讓我更深入地學(xué)習(xí)了電路系統(tǒng)設(shè)計的知識，知道了電子控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，學(xué)會了查看芯片手冊，通過芯片手冊知道了芯片的作用以及芯片與元器件的電路連接。雖然最小系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)完成，但是并沒有實現(xiàn)出來。而且從整個大項目來看，這只是其中的一個子模塊。在未來，希望能繼續(xù)加強完善這個無人機電子操控的最小系統(tǒng)，盡可能把電路板做出來，完成與其它子模塊的連接，保證模塊與模塊之間的相互匹配，最后可以結(jié)合程序進行測試。相信只要堅持下去，在不久的將來一定會完成新型無人機電子操控系統(tǒng)的設(shè)計，共軸式雙旋翼新型無人機一定會在世人面前精彩亮相。

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