多旋翼无人机硬件电路设计和实现探讨

摘要：本文主要是从控制原理、电源模块、电源管理和传感器设计这四个角度论述多旋翼无人机硬件电路设计过程。

关键词：多旋翼无人机；硬件电路设计；实现路径

0.引言

近年来，多旋翼无人机受到了广泛关注，不论是在学校还是网络上都可以听到相关消息，由此可见无人机已经走进人们的生活。发生这种现象的主要原因是人们对无人机的兴趣和需求已经达到了一定的高度，从而推动了多旋翼无人机的迅猛发展，人们对无人机备受青睐的主要因素有体积小、便于操作，即使在很狭小的地方它都可以起飞，人们可以利用它进行空中拍摄。当前，多旋翼无人机正在飞速发展，未来很有可能像智能手机一样被人们普遍使用。

1.控制原理

无人机控制主要包括两部分，分别由高端处理器和低端处理器组成，高端处理器和低端处理器都选用32位的ARM架构超低功耗芯片，根据各芯片的不同功能它承担着不同的职责，譬如角速度信号、电子罗盘和加速度等工作由高端芯片来实现，而低端芯片主要是接收高端芯片处理后的姿态信息，然后把姿态信息解算成PWM信号驱动电机转速，从而确保飞机能够在预定的高度飞行[1]。

2.电源模块

2.1电源滤波电路

在当今时代，无论哪一种电子设备都面临着电磁干扰的问题，为了预防本电路设计中电磁干扰对电路性能产生重大影响，本设计着重对传导干扰中的电源线传导干扰采取防御措施。一般情况下，主要是使用EMI滤波器抑制电源线干扰，滤波器的特性主要是通过插入损耗来表示。在使用过程中，即使EMI滤波器的插入损耗设计达标，也有可能受到负载阻抗和源阻抗的变化影响，因而无法取得理想的滤波效果。因此，在选取滤波器的时候应选择指标较高的滤波器作为电路元器件，其中的耐压值为16伏特，最大通过电流为2安培，主要用于抑制高频谐波对电源线的干扰。

2.2插入损耗的测量

对插入损耗的测量一般在终端阻抗达标时执行，输入输出的阻抗应为50欧姆。在实际测量中，可以通过多种方式测量插入损耗，譬如频谱仪和信号跟随器等，通过对比滤波器前后的信号频率衰减程度就可以判断滤波的好坏，在整个频率范围内应着重关注最小插入损耗，确定了滤波器内部参数以后，就无法控制输入输出的阻抗大小，因此无法达到理想的滤波效果。在选用滤波器时应根据自身需求选择较好的滤波器，这样可以有效减小输入输出阻抗变化引起的滤波性能下降[2]。

3.电源管理

3.1主电源管理

多旋翼系统主要是使用锂电池供电，为了防止锂电池放电导致电路出现故障，本设计选用了BQ24315对输入电压、电池电压和电流进行监控，BQ24315可以把大于5.5伏特的輸入电压转化为恒定的5.5伏特输出电压，并提供过压和过流保护。此外，它还具有防高温的功能，用户可以自己设置过流阈值。整个供电系统从接插件上引入控制板，并将引入电源分为3路，每路的走线分散到3片BQ24315电源管理芯片上。

3.2掉电保护

VBAT输入在系统掉电和低功耗模式下是一个32字节寄存器文件供电，此引脚连接设备使用锂电池的正极，并通过FMU-VDD-3V3电源为其充电，并维持电压的稳定，然后采用NSR30CM3器件连接备用电池。在实际运用时，应在靠近MCU的地方放置一个0.1uF的旁路电容，从而降低电源切断事件的发生率。NSR30CM3T5G具有超低前向压降和传导损耗，可以快速切换电源，在系统掉电时就能把电源切换为MCU和特定寄存器，从而系统数据以防丢失。该器件一般可以在-45-85摄氏度情况下正常工作，还可以用于军事，当电源发生故障时，可以击穿其中一只二极管放电，从而保护电路的正常运行。因此，本设计在其他电源部位也添加了该器件。

4.传感器设计

4.1气压计

由于多旋翼无人机是在空中飞行，所以需要实时测量其飞行高度，比如说可以把它固定在某个高度，然后利用气压计测量其高度[3]。本设计中选用了两个气压计，其中一个是MS5611-01BA传感器，这种传感器可以同时支持I2C和SPI接口，并适用于不同接口的芯片设计，而且不需要降低内部编程的难度，用户使用时更加方便，系统设计也拥有更大的空间。另一个是BMP280绝对气压传感器，这种传感器适用于小型移动设备，譬如手机、手表和手环等设备。BMP280是运用压阻式技术研发的压力传感器，该传感器的精度高、线性度高、鲁棒性高，而且支持电磁兼容，在控制设备时具有极高的灵活性。

4.2加速度计

MPU-60X0九轴运动处理传感器主要包括3轴MEMS陀螺仪、可扩展数字运动处理器和3轴MEMS加速度计，它是可以用于I2C接口连接第三方数字的传染器。 MPU-60X0的设计架构减少了加速度计对温漂和制造参数的灵敏度，将其置于水平面时可以测出X、Y轴方向的加速度为0，Z轴的加速度为+1g。该加速度计的尺度因子在出厂时已经被验证过，而且独立于电压源，其数字输出量可以智能调节，通过I2C或SPI接口就可以与外部设备通信。 MPU-60X0对加速度计和角速度计使用了3个16位的ADC，将检测模拟量转化为可输出的数字量，用户通过设置传感器检测范围就可以跟踪快速运动和慢速运动。

5.结语

虽然本文设计的电路基本能够实现无障碍平稳飞行，但是还存在一些不足，比如说飞机需要躲避高压线障碍，还要克服非电磁引起的信号干扰，另外还有一些较小的障碍物检测仍待改进。飞机必须在距离高压线5-6米的距离才能稳定飞行，而且高压线障碍太过细小很难检测。因此，要想实现高压线与飞机距离的检测还存在一些困难，目前可以在距离高压线10米左右的范围分辨出塔上销钉检测结果也能达到巡检要求，而且漏检率较低。随着飞行器的不断发展，其应用价值和应用领域也在不断扩大，未来将会有更多的人加入到多旋翼飞行器研究事业中，为我国航天航空事业的发展做出更多的贡献。

参考文献：

[1] 龚俊杰.电力巡检多旋翼无人机硬件电路设计与实现[D].电子科技大学，2016，13（01）：23-24.

[2] 李旭阳.小型多旋翼无人机飞行控制器研究[D].西安电子科技大学，2014，11（02）：18-19.

[3] 薛亮.多旋翼无人机飞行控制系统设计与实现[D].南京航空航天大学，2016，17（03）：25-26.

作者简介：陈洛涎（1986.8）男；民族：汉族；籍贯：广东省。单位：佛山市安尔康姆航空科技有限公司；职位：组长；学位：大学专科。endprint