【多旋翼無人機(jī)的組裝與調(diào)試分析6000字（論文）】

多旋翼無人機(jī)的組裝與調(diào)試研究摘要本文主要是研究多旋翼無人機(jī)的組裝與調(diào)試，研究過程中，筆者首先對(duì)無人機(jī)避障技術(shù)進(jìn)行了資料查閱，其次就本次無人機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)指標(biāo)都進(jìn)行了分析；其次就無人機(jī)防撞裝置進(jìn)行分析，詳細(xì)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自平衡原理分析、電機(jī)選型、螺旋槳設(shè)計(jì)和框架設(shè)計(jì)等。最后對(duì)多旋翼無人機(jī)的主要模塊進(jìn)行分析、組裝并完成功能調(diào)試。關(guān)鍵詞：多旋翼無人機(jī)避障目錄TOC\o"1-3"\h\u206531引言 引言我國各個(gè)行業(yè)在市場經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的當(dāng)下呈現(xiàn)出一派繁榮景景象。其中，無人機(jī)技術(shù)算是新型發(fā)展的技術(shù)之一，也是科技進(jìn)步的體現(xiàn)。無人機(jī)是以手機(jī)為無線遙控設(shè)備，利用手機(jī)應(yīng)用控制器在無人機(jī)內(nèi)完成復(fù)雜的飛行和載荷操作的無人機(jī)任務(wù)。在眾多類型的無人機(jī)中，四旋翼式無人機(jī)可能是最具代表性的。這類無人機(jī)可以有多種工作模式，可以水平作業(yè)、也可以垂直作業(yè)，易于用戶選擇，便于操作者跟蹤和探測，無人機(jī)甚至可以飛行自己的距離以更接近目標(biāo)。2多旋翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)介紹由于多旋翼無人機(jī)通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的差異來控制位置，所以最重要的關(guān)鍵部件是專用的多旋翼飛行控制（多軸飛行控制）。與傳統(tǒng)的固定翼無人機(jī)飛控相比，具有更高的性能和更高的可靠性要求[1]。多軸飛控由單片機(jī)和傳感器組成，通常為STM32單片機(jī)或AVR單片機(jī)，包括陀螺儀芯片、加速度計(jì)芯片、磁力計(jì)芯片，內(nèi)置微型氣壓計(jì)[2]。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，通常有一個(gè)GPS模塊，有的還有一個(gè)數(shù)字速度指示器來獲得正確的速度。除封閉的軍事和實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目外，多軸飛控一般有兩種類型：閉源商用飛控和開源飛控[3]。前者以大疆制造的系列飛控為代表，后者以美國的APM、PX4等為代表，圖1為多旋翼無人機(jī)飛控結(jié)構(gòu)示意圖。圖1多軸飛控結(jié)構(gòu)圖從技術(shù)上講，開源飛控項(xiàng)目優(yōu)于商業(yè)飛控項(xiàng)目。今天，許多多旋翼無人機(jī)使用開源飛行控制系統(tǒng)，而且它便宜又實(shí)惠[4]。因此，本項(xiàng)目采用開源飛控打造低成本的多旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)，并采用其他方法提高飛控穩(wěn)定性，完全優(yōu)于商業(yè)封閉源代碼的使用。飛行控制器?？紤]到平臺(tái)成熟度和多功能性，我們采用了基于開源PX4飛控系統(tǒng)的方案。2.1PX4飛控系統(tǒng)PX4飛控曾經(jīng)是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，后來被APM和3DRRobotics項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用[5]。PX4飛控采用雙MCU（微控制單元，即單片機(jī)）設(shè)計(jì)，運(yùn)行nuttXRTOS（基于Linux的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)），是當(dāng)今最強(qiáng)大的飛控。PX4上可以使用兩種類型的固件[6]。一種是庫存的PX4固件，由于可用性差，很少使用并且不是特別穩(wěn)定。另一種是nuttX的端口，用于PX4固件的APM。使用的APM飛控固件版本非常成熟，是可用的最強(qiáng)大的飛控固件之一。2.2PX4飛控的冗余原理PX4飛控的優(yōu)勢在于設(shè)計(jì)冗余。采用雙單片機(jī)設(shè)計(jì)，輔助單片機(jī)除處理輸入控制信號(hào)外，還可在主單片機(jī)程序崩潰時(shí)控制無人機(jī)返航或著陸。硬件方面，陀螺儀也采用了兩組備份設(shè)計(jì)，所有電源接口在接口上都有切換和反接功能，供電部分采用多重備份，避免出錯(cuò)[7]。冗余工作的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2PX4雙MCU冗余結(jié)構(gòu)3多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)及組裝3.1多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)典型的多旋翼無人機(jī)由機(jī)架、腳架、電機(jī)、電調(diào)、螺旋槳、電池、遙控器和飛控組成。支架是無人機(jī)的機(jī)械框架，用于支撐放置在其上的其他組件。當(dāng)無人機(jī)撞擊地面時(shí)，三腳架起到緩沖作用。電機(jī)是無人機(jī)的動(dòng)力部件，通過旋轉(zhuǎn)螺旋槳產(chǎn)生升力，而電鈴則用于為電機(jī)提供動(dòng)力并控制速度。電池是無人機(jī)的電源，遙控器是用來遙控的。飛控是無人機(jī)的核心，通常由主控單片機(jī)、姿態(tài)傳感器、無線通信模塊、電源模塊組成。3.2多旋翼無人機(jī)的組裝根據(jù)無人機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，將無人機(jī)的各個(gè)部件組成一個(gè)整體，組裝過程分為以下幾個(gè)階段[8]：3.2.1構(gòu)想實(shí)物圖用多旋翼無人機(jī)打開訓(xùn)練箱后，檢查箱內(nèi)零件的完整性，檢查每個(gè)零件是否損壞。刀片、框架、三腳架等部分損壞的部件可以自行查找。對(duì)于沒有表面異常的部件，應(yīng)使用工具和測試方法。例如，可以使用萬用表的蜂鳴器檔來測試電調(diào)的質(zhì)量。如果它發(fā)出聲音，則為正常，否則為損壞。要檢查電機(jī)的質(zhì)量，可以將電機(jī)連接到無人機(jī)的常規(guī)電調(diào)并打開它。如果發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)，則正常，否則損壞。最后，設(shè)計(jì)無人機(jī)的實(shí)物圖，如零部件的擺放位置、附著方式、零部件之間的連接方式等，以減少后續(xù)裝配中的拆裝次數(shù)，提高裝配效率。3.2.2調(diào)試飛控的部分功能部分Pixhawk飛行控制功能，例如加速度計(jì)校準(zhǔn)和指南針校準(zhǔn)，可以在沒有機(jī)架安裝的情況下執(zhí)行。此外，當(dāng)飛控安裝在支架上時(shí)，在旋轉(zhuǎn)校準(zhǔn)過程中，各種電線很容易纏結(jié)。打開MissionPlanner，將Pixhawk飛行控制器連接到計(jì)算機(jī)，單擊InitialSetup菜單，在Equipmentrequired下選擇AccelerometerCalibration和Compass，然后按照說明完成校準(zhǔn)。3.2.3焊接電調(diào)、電源通過將電調(diào)電源線和電源模塊電源線焊接到分配器上，無需虛焊，外觀盡可能完美。焊接后，用萬用表檢查焊點(diǎn)是否短路或開路。3.2.4組裝機(jī)架、電池架、腳架將機(jī)架下板和三腳架固定在機(jī)架底板上，將GPS支架和飛控緩沖板安裝到機(jī)架頂板上，然后將臂固定在頂板和底板之間，并擰緊螺絲。3.2.5安裝電機(jī)，連接電調(diào)在臂端安裝發(fā)動(dòng)機(jī)支架后，安裝發(fā)動(dòng)機(jī)。從右前發(fā)動(dòng)機(jī)開始，發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針、順時(shí)針、逆時(shí)針、順時(shí)針。如果電機(jī)表面沒有指示旋轉(zhuǎn)方向，可以通過兩種方式來判斷：（1）電機(jī)旋轉(zhuǎn)了整流罩的圓頂。如果旋轉(zhuǎn)器的圓頂可以順時(shí)針擰緊，電機(jī)將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，否則逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。（2）查看槳葉上面的圖標(biāo)。如果圖標(biāo)是順時(shí)針鎖定和逆時(shí)針解鎖，則安裝刀片的電機(jī)將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，否則將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。安裝好電機(jī)后，將電機(jī)連接到電調(diào)，如果電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與指示方向相反，則更換電調(diào)的任意2根線。3.2.6安裝飛控、接收機(jī)、GPS將雙面膠貼在飛控的四個(gè)角上，將其貼在飛控的緩沖板上，箭頭指向機(jī)頭。將接收器安裝在飛控的一側(cè)，將GPS安裝在另一側(cè)。接收機(jī)PPM端接飛控RCIN端，GPS線接飛控GPS口和CAN口，電源信號(hào)線接無人機(jī)POWER口控制器。飛控的SWITCH連接器和BUZZER連接器分別連接到安全開關(guān)和蜂鳴器。這樣就完成了無人機(jī)的組裝，如圖3所示。圖3組裝完成的無人機(jī)4多旋翼無人機(jī)的調(diào)試無人機(jī)組裝好后，開機(jī)調(diào)試。無人機(jī)調(diào)試包括固件安裝、支柱選擇、遙控器校準(zhǔn)、電調(diào)校準(zhǔn)、電機(jī)測試、飛行模式調(diào)整等。調(diào)試時(shí)不要安裝螺旋槳，以免因無人機(jī)起飛造成不必要的損失。4.1安裝固件，機(jī)架選型打開MissionPlanner軟件，點(diǎn)擊“InitialSetup”菜單，選擇“InstallFirmware”，在右側(cè)選擇與已安裝無人機(jī)對(duì)應(yīng)的類型進(jìn)行安裝升級(jí)。此步驟在飛控未連接電腦時(shí)執(zhí)行。然后，在MissionPlanner中的EquipmentRequired列中，單擊RackType以選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)架類型。4.2遙控器校準(zhǔn)首先，遙控器和接收器配對(duì)。將配對(duì)線連接到接收機(jī)的通道B/VCC，按住遙控器左下角黑色配對(duì)鍵，再按POWER鍵，得到連接成功信息，然后設(shè)置遙控器。長按遙控器OK鍵進(jìn)入系統(tǒng)界面，選擇RX設(shè)置界面，然后選擇PPM輸出，設(shè)置為ON。最后，校準(zhǔn)遙控器。點(diǎn)擊MissionPlanner軟件左側(cè)欄的“遙控器校準(zhǔn)”，點(diǎn)擊右側(cè)的“校準(zhǔn)遙控”，然后將遙控器搖桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)幾圈，即可獲得搖桿的最大值和最小值。校準(zhǔn)完成后，單擊完成。4.3電調(diào)校準(zhǔn)將電調(diào)輸出端子依次連接到飛控主輸出端子1～4，將負(fù)極、正極、信號(hào)線從上到下連接好，再進(jìn)行校準(zhǔn)。首先關(guān)閉遙控器并拔掉無人機(jī)電源，打開遙控器并將油門桿調(diào)到最大，然后接通無人機(jī)電源，聽到提示音后斷開電源。然后再次開啟無人機(jī)，等待蜂鳴聲停止，按住安全按鈕直到指示燈變?yōu)樗{(lán)色，將油門搖桿轉(zhuǎn)到最低位置，蜂鳴聲的次數(shù)將與電池電量相對(duì)應(yīng)。最后關(guān)閉無人機(jī)電源，完成校準(zhǔn)。4.4測試電機(jī)電機(jī)測試是為了確定電機(jī)是否按規(guī)定的方向旋轉(zhuǎn)。（1）打開無人機(jī)，解鎖遙控器，調(diào)整油門，用手觸摸電機(jī)，（2）點(diǎn)擊“配件”部分的“檢查電機(jī)”。單擊MissionPlanner軟件的左欄，然后按照右側(cè)的選項(xiàng)運(yùn)行引擎測試。4.5飛行模式常見的飛行模式包括自穩(wěn)定、定高、定點(diǎn)、懸停和返回。在MissionPlanner軟件的Configuration/Debug菜單中，點(diǎn)擊FlightMode，根據(jù)遙控器上開關(guān)對(duì)應(yīng)的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。5多旋翼無人機(jī)的飛行控制本章設(shè)計(jì)了多旋翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)。該無人機(jī)主要由單片機(jī)模塊、激光避障模塊、電源模塊、遙控模塊、顯示模式等部分組成，通過組裝這些模塊，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的智能控制。最后通過觀察無人機(jī)在一定高度的飛行情況，調(diào)試無人機(jī)功能，進(jìn)行功能測試，最終實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行控制功能。5.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)選擇單片機(jī)時(shí)要充分考慮實(shí)際需求，STM32F103C8T6系列相對(duì)便宜。STM32目前有32個(gè)內(nèi)部Cortex-M3處理器。STM32電源管理不錯(cuò)，還有語音管理、指紋和面部識(shí)別模塊。STM32應(yīng)用有很多便利。STM32印刷電路板（PCB）對(duì)部分復(fù)用功能有顯示功能，使電路板設(shè)計(jì)更加方便快捷。所有的ISO接口都允許中斷輸入，但是所有的ISO端口都滿足“中斷”請(qǐng)求，并且沒有連接很多特殊的引腳，這從本質(zhì)上簡化了中斷的設(shè)計(jì)。它們支持的ISO端口或PCB和測試。STM32保留了優(yōu)異的性能，并顯著降低了開發(fā)成本[9]。5.1.2激光避障模塊高效安全的自主飛行是無人機(jī)在室內(nèi)外飛行的關(guān)鍵，因此在設(shè)計(jì)無人機(jī)時(shí)能夠獨(dú)立避開障礙物就顯得尤為重要，并根據(jù)獲得的環(huán)境信息制定路線規(guī)劃以避開障礙物。無人機(jī)導(dǎo)航模塊主要用于通過安裝在無人機(jī)上的外部傳感器獲取無人機(jī)的實(shí)時(shí)位置并繪制繪制區(qū)域的地圖，將系統(tǒng)隔離到不妨礙任何障礙物的探測和探測。飛機(jī)的飛行路徑計(jì)劃由兩部分組成。無人機(jī)可以使用障礙物檢測模塊檢測障礙物，并計(jì)算障礙物與物體之間的距離信息。航路規(guī)劃模塊根據(jù)測量無人機(jī)距離和無人機(jī)間距離的相關(guān)信息，調(diào)整無人機(jī)的飛行距離和跑道，以避開無人機(jī)在空中遇到的障礙物。自主避障模塊由圖傳模塊開發(fā)。圖像信息通過圖傳模塊發(fā)送到避障系統(tǒng)，利用避障算法識(shí)別圖像，了解周圍空間。為了減少自主避障模塊開發(fā)過程中圖像識(shí)別的計(jì)算量和能耗，基于單極激光視覺系統(tǒng)與圖像傳輸模塊相結(jié)合，開發(fā)了獨(dú)立的干涉檢測系統(tǒng)。障礙物與物體的距離由物體表面檢測到的激光點(diǎn)確定，計(jì)算矩形物體的運(yùn)動(dòng)距離，保證避障安全。5.1.3電源模塊電源連接器使用POWER_JACK_3。AMS1117-3.3LMI084是一款直流控制器，可在3.3V頻率范圍內(nèi)提供正向和儲(chǔ)能輸出。限流電路是多旋翼無人機(jī)的最佳選擇[10]。圖4電源模塊電路設(shè)計(jì)圖5.1.4信號(hào)傳輸模塊為增加信號(hào)模塊的通訊面積，通訊模塊采用發(fā)射機(jī)+PA+LNA流程圖。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，射頻信號(hào)經(jīng)內(nèi)部功放放大，輸出到外部合路電路，再通過天線送至外部功放芯片進(jìn)行傳輸。接收到信息后，天線首先接收射頻信號(hào)，并通過合適的網(wǎng)絡(luò)通過低噪聲外部放大器將其發(fā)送到發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)從該放大器接收有關(guān)載波的必要信息，并通過發(fā)射機(jī)內(nèi)部放大。5.1.5主控電路主控芯片采用STM32F103C8T6，工作頻率72MHz，主要用于數(shù)據(jù)幀格式轉(zhuǎn)換、發(fā)送緩沖區(qū)管理和接口轉(zhuǎn)換。圖5主控電路圖5.1.6遙控模塊遙控器可以控制俯仰、橫滾、自旋、電機(jī)以及水平速度、垂直俯仰和旋轉(zhuǎn)。第三個(gè)搖桿控制云臺(tái)的傾斜和旋轉(zhuǎn)。遙控器還具有其他功能，例如啟停按鈕、一鍵式返回按鈕和噴涂機(jī)啟動(dòng)按鈕。此外，飛行控制系統(tǒng)的功能可以使用16位旋轉(zhuǎn)開關(guān)進(jìn)行調(diào)整。帶2個(gè)USB端口。mini-USB接口用于與主機(jī)通信，USB-a接口用于連接手機(jī)[11]。5.1.7顯示模塊屏幕一定要能顯示數(shù)據(jù)和圖形，要注意液晶屏越大，耗電就越多。經(jīng)過慎重考慮，最終選擇了0.94英寸的OLED顯示屏。顯示器的功耗比較低，滿足系統(tǒng)要求。圖6顯示模塊電路設(shè)計(jì)圖5.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.2.1主程序流程設(shè)計(jì)通過遙控器控制無人機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)位置調(diào)整、高度控制、啟停、積分返航、應(yīng)用功能等特殊指令，如圖7所示。圖7遙控控制概念5.2.2低功耗設(shè)計(jì)在本文中，我們計(jì)劃將操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)交付給芯片，以進(jìn)一步提升STM32芯片的性能。如圖8所示，這允許飛機(jī)在沒有命令的情況下進(jìn)入待機(jī)模式。圖8低功耗設(shè)計(jì)5.2.3計(jì)算機(jī)軟件控制設(shè)計(jì)為了進(jìn)一步提升和拓展無人機(jī)體驗(yàn)，我們目前正在開發(fā)基于安卓系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用，很多無人機(jī)用戶都在使用，所以應(yīng)用界面對(duì)于大部分用戶來說已經(jīng)足夠了，無人機(jī)信息可以隨時(shí)查看。并結(jié)合正在進(jìn)行的這項(xiàng)新技術(shù)的計(jì)算機(jī)研究和開發(fā)，如圖9所示。圖9計(jì)算機(jī)軟件控制流程5.3系統(tǒng)組裝多旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)過程側(cè)重于避障模塊。真正的焊接是使用焊接工具和購買的電子零件完成的。多旋翼激光防干擾模塊完成后，無人機(jī)模塊用于：分析系統(tǒng)運(yùn)行和防干擾模塊電路圖，規(guī)劃系統(tǒng)電路焊接，準(zhǔn)備整體焊接工作。激光傳感器模塊、電容、電阻、LED、插座、顯示器、微控制器等微芯片按照模塊設(shè)計(jì)和制造過程的電路圖進(jìn)行放置和焊接。如圖10所示。圖10焊接完成圖顯示屏在左下角，顯示傳感器檢測到的障礙物距離，電源在左上角。通過數(shù)據(jù)線連接電源，模塊即可工作。整體來看，模塊布局合理，小巧輕便，適合各種場景。5.4功能調(diào)試5.4.1電路檢查在放置硬件PCB之前，在不添加任何信號(hào)的情況下測試原理圖。根據(jù)設(shè)計(jì)的硬件圖，逐一檢查板上的各個(gè)模塊。使用標(biāo)準(zhǔn)板載電壓密度計(jì)進(jìn)行操作測試設(shè)置和芯片焊接。如果這些條件驗(yàn)證無誤，就可以進(jìn)行下一步上電調(diào)試。5.4.2通電測試對(duì)電路檢查完成后，開始進(jìn)行通電測試。第一步就是打開電路板。在測試運(yùn)行期間，需要一個(gè)外部電源為電路板提供5V電壓。上電后，檢查電路板上是否有很大的噪音或氣味，觸摸屏溫度是否正常，電路板上的指示燈是否亮。如果沒有問題，可以進(jìn)行下一步，測量IC電源電壓表的電壓值，以滿足工作要求。準(zhǔn)備就緒后，硬件板就可以使用了。5.4.3功能測試組裝好的激光模塊連接電源并在兩個(gè)時(shí)間段后進(jìn)行測試。結(jié)果如表1所示，電源接通狀態(tài)如圖8所示。表1測試結(jié)果表格項(xiàng)目屏幕顯示警報(bào)鳴響工作狀態(tài)距離地面高于一米Distance032cm無平穩(wěn)距離地面低于一米Distance:50cm有平穩(wěn)圖11接通電源狀態(tài)6設(shè)計(jì)總結(jié)本次無人機(jī)設(shè)計(jì)首先介紹了無人機(jī)相關(guān)基本知識(shí)，然后分析了無人機(jī)在飛