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

廣東東軟學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[13]。步進(jìn)電機(jī)之所以能精準(zhǔn)定位是因?yàn)槠浣俏灰屏渴怯擅}沖個(gè)數(shù)決定的，它是斷續(xù)移動(dòng)的（見(jiàn)圖2.33），并不是跟提供動(dòng)力的直流電機(jī)一樣連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以無(wú)人機(jī)方向以及轉(zhuǎn)速可以通過(guò)程序去計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的步距角來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。圖2.33步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程圖在新型無(wú)人機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，可選NMOS管（高電平導(dǎo)通）用作開(kāi)關(guān)，D極接電機(jī)，S極接地，G極接收主芯片發(fā)出的PWM信號(hào)。電機(jī)附近還要接入一個(gè)0.1uF的濾波電容，用來(lái)吸收電機(jī)產(chǎn)生的高頻雜訊；同時(shí)，在MOS開(kāi)啟瞬間電流如果過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致瞬間開(kāi)啟，這時(shí)接入一個(gè)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(gè)10K的下拉電阻，因?yàn)樾酒趶?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(jī)還沒(méi)工作即無(wú)控制信號(hào)時(shí)，導(dǎo)致MOS管導(dǎo)通出現(xiàn)電機(jī)瘋狂旋轉(zhuǎn)的情況，電路見(jiàn)圖2.34。圖2.34部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2.6其他接口共軸式雙旋翼新型無(wú)人機(jī)的飛行控制原理大大促進(jìn)了無(wú)人機(jī)的發(fā)展，有很大的應(yīng)用前景。因此，為了方便二次開(kāi)發(fā)，在電路中還設(shè)計(jì)了一個(gè)NRF24101的通訊接口、預(yù)留了一個(gè)IIC接口和一個(gè)UART3串口，如圖2.35所示，以便未來(lái)可以繼續(xù)提高完善新型無(wú)人機(jī)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(gè)新型無(wú)人機(jī)操控電子飛控系統(tǒng)——最小系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，并將個(gè)別模塊實(shí)現(xiàn)了仿真。接下來(lái)就要利用AltiumDesigner畫(huà)出新型無(wú)人機(jī)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(gè)名為AltiumDesigner的軟件，簡(jiǎn)稱AD。這個(gè)軟件功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單，可以使電子開(kāi)發(fā)者輕松完成原理圖的設(shè)計(jì)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(jì)中，我將會(huì)使用AD14來(lái)完成新型無(wú)人機(jī)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(xì)描述一下制作原理圖的具體步驟。（1）打開(kāi)AD軟件，點(diǎn)擊“文件”→“新建”→“project”建立一個(gè)工程文件。（2）點(diǎn)擊“文件”→“新建”→“原理圖”建立一個(gè)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(jì)選擇需要的元器件，如果元器件在默認(rèn)庫(kù)里找不到，可以點(diǎn)擊“文件”→“新建”→“庫(kù)”→“原理圖庫(kù)”建立一個(gè)原理圖庫(kù)，然后自己繪制元器件。（4）按照設(shè)計(jì)進(jìn)行拉線，將元器件連接起來(lái)。（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(wú)人機(jī)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(xì)描述一下制作PCB的具體步驟。（1）點(diǎn)擊“文件”→“新建”→“PCB”建立一個(gè)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(kù)里沒(méi)有合適的封裝文件，可以新建一個(gè)PCB庫(kù)，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(huà)一個(gè)封閉的邊框，然后按shift選中所有邊，點(diǎn)擊“設(shè)計(jì)”→“板子形狀”→“按照選擇對(duì)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(lái)修改，這里我是直接導(dǎo)入了一個(gè)通用的規(guī)則。（6）先對(duì)元器件進(jìn)行布局，見(jiàn)圖3.5。（7）布局完成后接著完成布線，將元器件連接起來(lái)，見(jiàn)圖3.6。圖3.5布局完成圖3.6布線完成（8）其他信號(hào)線連起來(lái)后，要對(duì)GND網(wǎng)絡(luò)鋪銅，見(jiàn)圖3.7。圖3.7鋪銅完成（9）鋪銅完成后要進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則（DRC）檢查，不能違反規(guī)則，見(jiàn)圖3.8。圖3.8DRC檢查3.3.2PCB新型無(wú)人機(jī)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(gè)新型無(wú)人機(jī)操控電子飛控系統(tǒng)是一個(gè)集體項(xiàng)目，采用模塊化設(shè)計(jì)方式將電子控制系統(tǒng)分割成多個(gè)子系統(tǒng)分成了七個(gè)子模塊，分別是最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、通信子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、通信接口技術(shù)研究、遙控終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、飛行狀態(tài)顯示終端子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、飛控算法的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及飛行狀態(tài)動(dòng)畫(huà)模擬顯示的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。其中我的畢業(yè)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)的是無(wú)人機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于在大學(xué)課堂學(xué)習(xí)的內(nèi)容十分廣泛，對(duì)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的知識(shí)接觸不深，所以要完成這次設(shè)計(jì)，首先要圍繞無(wú)人直升機(jī)的電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)的同學(xué)保持密切聯(lián)系，約定相應(yīng)的接口標(biāo)準(zhǔn)，最后完成最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于在做畢業(yè)設(shè)計(jì)之前沒(méi)有接觸過(guò)stm32，也沒(méi)有設(shè)計(jì)過(guò)電路，再加上自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)不扎實(shí)，所以在實(shí)際的學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)中，遇到了很多不懂的問(wèn)題，導(dǎo)致了最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)展緩慢。通過(guò)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(jì)并繪制出了原理圖和PCB圖。通過(guò)這次綜合的設(shè)計(jì)，讓我更深入地學(xué)習(xí)了電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的知識(shí)，知道了電子控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，學(xué)會(huì)了查看芯片手冊(cè)，通過(guò)芯片手冊(cè)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(jì)已經(jīng)完成，但是并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)出來(lái)。而且從整個(gè)大項(xiàng)目來(lái)看，這只是其中的一個(gè)子模塊。在未來(lái)，希望能繼續(xù)加強(qiáng)完善這個(gè)無(wú)人機(jī)電子操控的最小系統(tǒng)，盡可能把電路板做出來(lái)，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(jìn)行測(cè)試。相信只要堅(jiān)持下去，在不久的將來(lái)一定會(huì)完成新型無(wú)人機(jī)電子操控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，共軸式雙旋翼新型無(wú)人機(jī)一定會(huì)在世人面前精彩亮相。

參考文獻(xiàn)楊小川,劉剛,王運(yùn)濤,孫巖,孟德虹,李偉.Pixhawk開(kāi)源飛控項(xiàng)目概述及其航空應(yīng)用展望[J].飛航導(dǎo)彈,2018(04):25-32+76.文武,楊曉波.Draganfly四旋翼微型飛行器[J].輕兵器,2011,(3).盛利元.共萬(wàn)向軸式全剛性雙旋翼直升機(jī):CN201821030425.7[P].2019-02-19劉火良.STM32庫(kù)開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.施雨農(nóng).基于STM32與MCX314的熔絲沉積成型機(jī)控制系統(tǒng)研究[D].華中科技大學(xué),2014.孔慶楠.基于STM32的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué),2016.王愛(ài)珍.基于51單片機(jī)的測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器世界,2013,19(11):40-42.黃雙成.全國(guó)高職高專(zhuān)院校規(guī)劃教材基于網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)的項(xiàng)目化單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.08.張澤宇.單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)與研究[J].電子技術(shù)與軟件工程,2013(22):138-139.楊婧婧.電容降壓電路工作原理[J