CN105955305A - 一种四轴无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四轴无人机，包括机架、电机、螺旋桨、电池以及飞行控制板，所述飞行控制板包括：姿态传感器组，用于检测四轴无人机的姿态数据；电源电路，将电池提供的电源按照飞行控制板上各个模块的不同需求加以分配；电机驱动电路，用于驱动电机转动；主控MCU，包括控制器及无线收发器，用于将从姿态传感器组得到的姿态数据转换为四轴无人机的实际姿态及位置信息，并配合无线收发器发送来的遥控信息，通过电机驱动电路对四轴无人机的四个电机转速进行控制；电池电量检测模块，位于电池及主控MCU之间。本发明主控MCU将控制器及无线收发器集成在了单芯片内，不仅提高了飞行控制板的集成度，节省了PCB空间，还提升了系统的稳定性与鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及无人机控制技术领域，特别是涉及一种四轴无人机。
背景技术
无人驾驶飞机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)又简称无人机，与传统的有人驾驶飞行器不同，是一种利用无线电远程遥控及机载的程序控制器操纵的不载人飞机。其最早出现于20世纪20年代，当时仅被用于作为军事训练中的靶机,此后经过近百年的不断发展，逐渐转向于侦查、攻击等各种多用途领域。由于其相对于载人飞机来说具有成本低、生存能力强、无人员伤亡风险、使用方便等优点，所以不止能在军事上发挥重要作用，在民用领域也具有广阔的应用前景。
根据无人机的总体结构来分类，可以将无人机划分为固定翼无人机、直升机无人机及多旋翼无人机这三种主流结构，除此之外，还有伞翼无人机、扑翼无人机及无人飞艇等较小众的无人机结构，但实际应用较少。其中多旋翼无人机拥有4个或更多个旋翼来提供动力，相比固定翼无人机，可以实现原地垂直起降和空中悬停等灵活的机动动作，而机械结构相较直升机无人机又更为简单，且价格更为低廉，环境适应能力更强，可用于部分军用及大部分民用、消费领域，发展前景最受关注。在多旋翼无人机中，最简单也最常见的就是四旋翼无人机(Quadrotor UAV)，又被称为四轴无人机，其飞行动力由四个旋翼式的飞行引擎各自驱动一片螺旋桨来提供，通过调节引擎转速来改变四个旋翼转动产生的升力和扭矩，就能够实现稳定的飞行。
根据无人机尺寸大小的分类，目前市面上大多数的四轴无人机基本上都属于微小型无人机的范畴，微小型四轴无人机由机架、电机、螺旋桨、电池、遥控器、电机驱动器和飞行控制板组成。由于微小型四轴无人机具有飞行姿态灵活、机动性强、机械结构较为简单、易于拆卸维护、性价比较高等特点，使得其具有较为广泛的平台适应性，可应用于低空军事侦察、电力线巡检、山林灾情搜救、娱乐影视航拍等多种不同领域。
在对微小型四轴无人机进行设计时，其硬件部分就相当于它的“身体”，是整个四轴无人机系统的基础。其硬件框架构筑的健壮性、元件选择的合理性、实际电路及机械结构的稳定性及抗干扰能力，都关系着整个四轴无人机系统能否平稳顺畅地工作，只有设计出一副“好身体”，才能为在这之上运行的软件程序提供一个稳定可靠的平台。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种四轴无人机。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种四轴无人机，包括机架、电机、螺旋桨、电池以及飞行控制板，所述飞行控制板包括：
姿态传感器组，用于检测四轴无人机的姿态数据，所述姿态数据包括瞬时加速度、角速度、磁场方向、高度数据；
电源电路，将电池提供的电源按照飞行控制板上各个模块的不同需求加以分配，使得各电子部件能够稳定正常地运行；
电机驱动电路，与电机一一对应设置，用于驱动电机转动；
主控MCU，包括控制器及无线收发器，用于将从姿态传感器组得到的姿态数据转换为四轴无人机的实际姿态及位置信息，并配合无线收发器发送来的遥控信息，通过电机驱动电路对四轴无人机的四个电机转速进行控制，实现对无人机飞行姿态的控制；
电池电量检测模块，位于电池及主控MCU之间，电池电量检测模块包括位于电池与主控MCU之间的第一电阻R16以及主控MCU与接地端之间的第二电阻R17，主控MCU采集第一电阻R16与第二电阻R17之间的电压ADC_VIN，并推算出电池电压VCC_IN，其中，ADC_VIN＝VCC_IN*R17/(R16+R17)。
作为本发明的进一步改进，所述主控MCU为无线Wi-Fi微控制器CC3200。
作为本发明的进一步改进，所述姿态传感器组包括惯性测量单元及位置信息测量单元。
作为本发明的进一步改进，所述惯性测量单元包括加速度计、陀螺仪、磁力计中的一种或多种，所述位置信息测量单元包括气压计和/或超声波传感器。
作为本发明的进一步改进，所述惯性测量单元包括贴片式QFN封装的MPU6050芯片及贴片式QFN封装的HMC5883L芯片，所述位置信息测量单元包括贴片式QFN封装的MS5611-01BA03及安装于四周无人机底部的US-100超声波传感器模块。
作为本发明的进一步改进，所述飞行控制板还设有位于电池及主控MCU之间的电池电量检测模块，电池电量检测模块包括位于电池与主控MCU之间的第一电阻R16以及主控MCU与接地端之间的第二电阻R17，主控MCU采集第一电阻R16与第二电阻R17之间的电压ADC_VIN，并推算出电池电压VCC_IN，其中，ADC_VIN＝VCC_IN*R17/(R16+R17)。
作为本发明的进一步改进，所述电池电量检测模块还包括与第二电阻R17并联设置的滤波电容。
作为本发明的进一步改进，所述电机驱动电路包括串接在电池两端的N沟道MOS管、以及连接于N沟道MOS管栅极的限流电阻，主控MCU输出PWM信号，当PWM信号维持低电平时，N沟道MOS管不导通，电机不转；当PWM信号输出高电平脉冲时，N沟道MOS管导通，电机开始转动。
作为本发明的进一步改进，所述电机驱动电路在每个电机的两端并联设有续流二极管，用于为反向电动势提供电流通路。
作为本发明的进一步改进，所述电源电路中设有若干低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器包括为主控MCU供电的SPX3819M5-L-3.3稳压芯片以及为姿态传感器组供电的ME6206A33稳压芯片。
本发明的有益效果是：
主控MCU将控制器及无线收发器集成在了单芯片内，不仅提高了飞行控制板的集成度，节省了PCB空间，还提升了系统的稳定性与鲁棒性；
使用Wi-Fi作为无线通信方式，既可以用手机App代替遥控器实现遥控功能，也为后续可能的多机编队飞行研究提供了组网的便利；
可以实时监测电池的电量来实现低电报警及低电自动降落等功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施方式中四轴无人机的模块示意图；
图2为本发明一实施方式中无线Wi-Fi微控制器CC3200的电路图；
图3为本发明一实施方式中MPU6050芯片的电路图；
图4为本发明一实施方式中HMC5883L芯片的电路图；
图5为本发明一实施方式中MS5611芯片的电路图；
图6为本发明一实施方式中US-100超声波传感器的电路图；
图7为本发明一实施方式中电池电量检测电路图；
图8为本发明一实施方式中直流有刷空心杯电机驱动电路的电路图；
图9为本发明一实施方式中电源电路的电路图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明一具体实施方式中公开了一种四轴无人机，包括机架(未图示)、电机10、螺旋桨20、电池30以及飞行控制板40，其中，电池30优选采用航模锂电池，电机10和螺旋桨20用于提供动力，电机10选用直流电机，飞行控制板40上又集成了主控MCU、无线通信模块、各种姿态传感器、电机驱动电路及电源电路等模块。
具体地，飞行控制板40包括：
姿态传感器组41，用于检测四轴无人机的姿态数据，所述姿态数据包括瞬时加速度、角速度、磁场方向、高度数据；
电源电路42，将电池提供的电源按照飞行控制板上各个模块的不同需求加以分配，使得各电子部件能够稳定正常地运行；
电机驱动电路43，与电机一一对应设置，用于驱动电机转动；
主控MCU 44，包括控制器441及无线收发器442，用于将从姿态传感器组得到的姿态数据转换为四轴无人机的实际姿态及位置信息，并配合无线收发器发送来的遥控信息，通过电机驱动电路对四轴无人机的四个电机转速进行控制，实现对无人机飞行姿态的控制；
电池电量检测模块(未标号)，位于电池及主控MCU之间，电池电量检测模块用于根据检测到的电压值推算出电池电压。
本实施方式中飞行控制板40内采用的主控MCU 44为控制器与Wi-Fi无线收发器于一体的无线Wi-Fi微控制器，这使得主控MCU在具备控制与计算功能之外，还兼具Wi-Fi无线通信功能，可与外部具备Wi-Fi功能的Android设备或是PC机进行通信，省去了额外的无线通信模块；姿态传感器组则包括加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计及超声波传感器等，负责采集四轴无人机的各种运动数据及高度信息，并传给主控MCU用来解算机体姿态；电机驱动电路负责驱动四个电机，将主控MCU输出的控制信号转换为相应的电机转速，带动螺旋桨旋转产生升力；最后剩下的电源电路则负责将电池输入转换为合适且稳定的电源，提供给飞行控制板上的其他模块使用。
以下结合附图对本实施方式中四轴无人机的各模块作具体说明。
主控MCU
主控MCU是微小型四轴无人机的中枢控制部件，相当于无人机的“大脑”。它主要负责将从姿态传感器组得到的数据转换为四轴无人机的实际姿态数据，并配合无线模块发送来的遥控信息，对四轴无人机的四个电机转速进行控制，从而实现对无人机飞行姿态的控制。
根据以上的工作内容，对于四轴无人机主控MCU的选取，大致可以从外设接口、处理能力、尺寸大小这三个方面进行考虑。
外设接口：为了控制4个电机的转速，需至少具有4路PWM脉宽调制信号输出；为了与各种姿态传感器及无线通信模块通信，需要同时具备如I2C、SPI、UART等常用通信接口；为了监测电池的电量，需要具备至少1路AD采集接口；为了实现飞行控制算法中的精确定时，需要具备多个高精度定时器；此外，还需若干的GPIO接口用于控制LED指示灯及其他开关量的控制。
处理能力：由于主控MCU需要对多个姿态传感器的数据进行姿态解算，还要运行复杂的飞行控制算法，这些都需要较大的计算量，且对实时性的要求较高，故要求主控MCU要有较高的处理能力，即较高的主频。若MCU的处理能力不足，则对四轴飞行器的控制只能够处于一个比较初级简单的阶段，无法实现更加复杂的功能和精准的控制。
尺寸大小：对于微小型四轴无人机中尺寸较大的机型(轴距大于20cm)来说，留给飞行控制板的空间比较充裕，故对于主控MCU的尺寸没有太大要求；但对于尺寸较小的微小型四轴无人机(轴距小于等于20cm)来说，由于尺寸有限，飞行控制板上可谓“寸土寸金”，这时，在满足所需接口引脚数目的前提下，应尽量选择体积尺寸较小的贴片封装的MCU芯片。
综合以上三个方面的因素来考虑，本文最终选择了TI公司新近推出的无线Wi-Fi微控制器CC3200，来作为的微小型四轴无人机的主控MCU。该芯片使用ARM Cortex-M4内核，主频达到80MHz，能轻松应对复杂的姿态解算及飞行控制算法，内部提供的丰富接口也能满足电机控制和姿态采集传感器的需要，最重要的是其内部还集成了Wi-Fi无线通信功能，不仅省下了额外的通信模块，还提高了飞行控制板的集成度，节省了PCB板的空间使用。
目前市面上一些开源设计及部分商业产品中大量采用的是STM32F103系列微控制器+NRF24L01无线通信模块的解决方案，而使用CC3200作为主控MCU，则只需这一颗芯片即可完成同样的控制+无线通信功能，且集成度更高。同时，CC3200集成的Wi-Fi无线通信功能，相比NRF24L01无线通信模块来说，无线通信速率及稳定性更好，且由于目前的智能掌上终端(手机、平板电脑)基本都具备Wi-Fi功能，所以还可以编写相应的控制App软件，用手机来代替传统的航模遥控器来对四轴无人机进行遥控，增加了操控的便利性。这两种方案采用的主控MCU之间的参数对比见下表1。
表1CC3200与STM32F103x+NRF24L01参数对比
CC3200是德州仪器公司SimpleLink解决方案中CC3XXX系列芯片里的最新成员，它在CC3100这款独立的Wi-Fi网络处理芯片的基础上，集成了一个基于ARM Cortex-M4内核的高性能MCU，组成了微控制器+网络处理器的集成SoC解决方案，使得用户能够只使用一块单独的芯片就能进行整个Wi-Fi应用的开发，是业内首个具有如此功能的单芯片系统。CC3200由应用微控制器(Applications MCU)、Wi-Fi网络处理器和电源管理子系统三部分组成。
应用微控制器采用32位的ARM Cortex-M4内核，运行频率80MHz，具有64KB Flash ROM及最多256KB的SRAM，片内外设接口丰富，包含2个UART、1个SPI及1个I2C接口；4个支持16位脉宽调制输出(PWM)的通用定时器(最多支持6路PWM输出)；4通道12位ADC；26个独立可编程、复用的GPIO引脚[CC3200RM]。
Wi-Fi网络子系统内有另一个专用处理器来处理网络通信服务，其支持Wi-Fi 802.11b/g/n协议标准、AES及WPA2加密，可工作在访问点(AccessPoint，AP)、基站(Station，STA)和Wi-Fi Direct这三种模式，且内部集成IPv4TCP/IP协议栈及HTTP服务器等多种网络协议，可方便地实现Wi-Fi无线网络通信功能。
电源管理子系统内部包含多个DC-DC电压转换电路，为CC3200内部各模块提供不同的稳定的工作电压，并且在正常运行模式之外，还支持如睡眠(SLEEP)及低功耗深度睡眠(LPDS)等低功耗模式，能显著减少芯片的功耗。
此外，为了迎合Wi-Fi应用对存储空间需求不尽相同的特点，CC3200在设计时并不将用户的应用程序存储在片内FLASH中，而是将其放在了外接串行FLASH里，这样用户就可以根据实际需求来选择外部FLASH存储器的大小。
为了提高开发效率，缩短设计周期，本发明中的四轴无人机的飞行控制板采用了CC3200的商业模块USR-C322。此模块内部包含了CC3200芯片、Wi-Fi无线射频电路、40MHz外部晶振电路、1MB外部串行FLASH电路及电源滤波电路，引出了所有的外设接口、电源、复位和调试引脚，并采用贴片式邮票孔封装，便于芯片的焊接，其在飞行控制板上的硬件最小系统电路如图2所示。电路中接在电源VCC_3V3及地GND之间的两个电容C10、C11，分别用于防止电源抖动及滤除高频噪声；Reset复位引脚为低电平有效，平时通过上拉电阻R10设置为高电平，在模块上电时由于电容C9的充电过程而产生低电平脉冲，从而达到上电复位的目的。
姿态传感器组
姿态传感器是微小型四轴无人机的主要检测部件，相当于无人机的各种“感觉器官”，一般以传感器组的形式存在，用来检测四轴无人机的姿态角和高度等信息，为后续的飞行控制算法提供必要的数据。根据惯性导航原理，为了得到准确的姿态角数据，需要使用到由三轴加速度计、三轴陀螺仪及三轴磁力计组成的惯性测量单元；而四轴无人机的高度信息，则可以使用位置信息测量单元(气压计或超声波传感器)来获取。由于后续飞行控制算法的性能在很大程度上依赖于姿态传感器组检测到姿态数据的准确性，且微小型四轴无人机的载重有限，故要求这些姿态传感器既要有较高的精确度，同时在体积和质量上也要尽量的小。
惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)是一种用于测量载体所受比力及运动角速度(有时也包括载体周围的磁场强度)的电子仪器，通常由加速度计及陀螺仪(有时也包括磁力计)组合而成。其作为惯性导航系统的核心部件，被广泛应用于车辆、船舶、飞行器及无人机等领域。
针对微型四轴无人机体积小，载重量轻的特点，结合传感器元件的各项参数需求，并考虑到设计成本，本实施方式最终采用了美国运动追踪传感器厂商InvenSense公司生产的MPU6050芯片作为加速度计及陀螺仪，并使用美国Honeywell公司生产的HMC5883L芯片作为磁力计，将两者组合为机体的IMU。
IMU中的加速度计用来检测物体在三维空间中的加速度，而陀螺仪则检测载体物体在三维空间中的角速度，利用这6个自由度的数据(6Degree OfFreedom,6DOF)就可以解算出物体的姿态角。
本实施方式中采用的MPU6050芯片，其内部集成了一个三轴加速度计、一个三轴陀螺仪及一个数字运动处理器(Digital Motion Processor,DMP)，配合集成的辅助I2C接口，可以用来连接如三轴磁力计等的外部第三方数字传感器，是业界内首个集成了9轴传感器数据融合功能的运动处理解决方案。MPU6050采用贴片式QFN封装，体积为4*4*0.9mm，相比分别采用单独的加速度计及陀螺仪元件，使用MPU6050既节省了飞行控制板的PCB空间，也提高了IMU传感器的集成度及稳定性。MPU6050的工作电压为2.375V-3.46V，工作电流不高于4mA，功耗较低；采用I2C接口与外界通信，数据传输速率最高可达400Kbps，满足实时性的需求；其内部集成的加速度计量程为±2g、±4g、±8g及±16g，陀螺仪测量的角速度量程为±250、±500、±1000、±2000度/秒，测量值都以16位二进制数表示，符合对四轴无人机姿态测量的需求。本实施方式中的飞行控制板上的MPU6050电路如图3所示。
磁力计又称为电子罗盘，可以测量出地球磁场在三个轴上的分量，从而用于确定方向。为了提高可靠性，可以为IMU增添一个三轴磁力计，用来弥补加速度计无法测量机体在重力加速度轴上旋转运动的缺陷，进而修正四轴无人机的航向角，组成一个可以测量9DOF的姿态航向参考系统(Attitude andHeading Reference System,AHRS)。
本实施方式中采用的HMC5883L芯片采用贴片式QFN封装，体积为3*3*0.9mm，工作电压2.16V-3.6V，工作电流100uA，满足小体积、低功耗的需求，其罗盘航向角精度能控制在1到2度的范围内，符合飞行控制系统的需要。HMC5883L采用I2C总线与外界通信，在本实施方式中将其连接在MPU6050的辅助I2C接口上，电路图如图4所示。
为了实现四轴无人机的空中悬停功能，需要获取四轴无人机的高度信息，可以通过气压计或是超声波传感器来实现。
气压计可以藉由气压的变化来感测物体的相对与绝对高度，常被运用于与运动、健身、方位推测等应用有关的消费性产品中。在四轴无人机中可使用气压计来进行垂直方向上的定位，实现飞行器的定高悬停。由于测量的是大气压强，所以理论上只要在大气层内都可以使用，具有较广的量程且不受地形因素的影响。虽然目前一些高精度气压计宣称的高度分辨率能达到10cm级别，但由于大气压强受气温的影响比较严重，一般都配合温度传感器一同使用来进行温度补偿，实际高度的测量精度一般都在100cm左右。
本实施方式最初采用瑞士MEAS公司生产的高精度气压计芯片MS5611-01BA03来获取高度信息，此芯片采用QFN贴片封装，体积5*3*1.7mm，工作电压1.8V-3.6V，工作电流1uA，使用I2C接口通信，测量范围10～1200mbar，内置温度传感器进行温度补偿，标称高度测量精度为10cm，其电路图如图5所示。
在实际测试过程中，发现其测量精度只能达到30cm-40cm左右，且非常容易受到周围气流的影响而导致所测高度数据的突变，故在最终设计中并未使用气压计来获取四轴无人机的高度。
超声波传感器利用类似蝙蝠“回声定位”的方式来进行距离的测量。其测量范围不如气压计，一般都在10m以内，但精度较高，可达到毫米级别，且不易受周围气流的影响，在室内高度较低的情况下可使用其来进行辅助定高。
目前市面上常见的廉价超声波传感器模块的体积和重量相对都比较大，而微型超声波传感器的价格又十分昂贵，综合考虑成本及体积因素，本实施方式最终采用了一款名为US-100的商业超声波传感器模块。此模块体积为45*20*1.6mm，重9g，工作电压2.4V-5.5V，工作电流2mA，探测距离为2cm-450cm，探测精度0.3cm，成本只需十几元。US-100模块有5个对外引脚接口，支持电平触发及UART串口两种工作模式，本实施方式中采用了UART串口的工作方式，将其放置在四轴无人机的底部，通过外接连线与CC3200模块的UART2口相连接，其电路连线如图6所示。
机架、电机、螺旋桨及电池
机架是微小型四轴无人机的机械框架，用于承载在其之上的所有部件，相当于四轴无人机的“骨架”；电机和配套的螺旋桨则是四轴无人机的动力部件，电机带动螺旋桨转动而产生的升力使得四轴无人机能够离地飞行；而电池则相当于“油箱”，其输出的电力为整个微小型四轴无人机系统提供能源。
1)机架
本实施方式最终采用的四轴无人机机架轴距为235mm，结构相对更加稳定；具备66齿：11齿的减速齿轮组，可带更大直径的螺旋桨叶；采用碳纤维材料，用螺丝组装而成，重约45g，重量轻且机械强度高。
2)电机
为提高升力，设计中采用了转速更高、动力更强的820有刷空心杯电机(8.5mm*20mm，孔径1mm)，而不是目前市面上微型四轴无人机普遍采用的720空心杯电机(7mm*20mm，孔径1mm)。最终采用的820空心杯电机的额定电压为7.4V，空载电流为0.08A，空载转速约43000rpm，带上螺旋桨后在100％油门时的工作电流约为2.1A。
3)螺旋桨
由于机架带减速齿轮组，与电机配合可增大扭矩，带动更大直径的桨叶，产生更大的升力，于是本实施方式采用了直径为135mm的两对正反桨叶，配合4个820空心杯电机及6:1的减速齿轮组，最高可提供约180g的升力。
4)电池
由于电机是由电池直接驱动的，所以电池电压需与所使用的电机电压一致，故本实施方式最终使用的电池额定电压为7.4V(实际电压范围为7.4V-8.4V)，容量500mAh，重24.5g，最大放电倍率为20C，最大放电能力为500mA*20＝10A，满足所选电机2.1A*4＝8.4A的最大电流需求。
为了防止四轴无人机在飞行过程中，因电池电量过低导致坠机事故的发生，需要实时监测电池的电量来实现低电报警及低电自动降落等功能，这可以通过主控MCU CC3200的AD采集功能来实现，其电池电量检测电路如图7所示。
图7中VCC_IN为电池输入电压，通过R16及R17两个电阻的分压，将输入到CC3200的ADC采集引脚ADC_VIN的电压范围降到0-1.45V的ADC参考电压范围之内，通过第一电阻R16与第二电阻R17阻值的比例关系，就可以将采集到的ADC_VIN的电压推算出电池电压VCC_IN，公式为：ADC_VIN＝VCC_IN*R17/(R16+R17)。而滤波电容C12的作用则是对所采集的ADC_VIN电压值进行硬件低通滤波，消除一定的高频干扰。
电机驱动电路
由于采用的是直流有刷空心杯电机，故无需使用电子调速器等复杂的电路结构，理论上只需1个MOS管即可驱动起1个空心杯电机进行转动。当然实际的设计要比这个稍微复杂一些，本实施方式的电机驱动电路如图8所示。
电路中针对每个电机(M1～M4)，都将其与一个N沟道的MOS管(Q1～Q4)一同串接在电池电源的两端，主控MCU输出的PWM脉冲宽度调制信号，通过限流电阻接到N沟道MOS管的栅极(G)，来控制MOS管的通断。当PWM信号维持低电平时，MOS管不导通，电机不转；当PWM信号输出高电平脉冲时，MOS管导通，电机开始转动。主控MCU通过控制输出到每个MOS管的PWM信号的占空比，就可以控制对应电机在单位时间内的导通时间，进而控制接在电机两端电压的有效值，从而实现对电机转速的控制。此外，为了防止电机在MOS管通断瞬间产生的反向电动势与电池电压一起加在MOS管上而导致MOS管被击穿或是电源电压产生尖峰脉冲，电路中还在每个电机的两端并联了一个续流二极管来为反向电动势提供电流通路，降低其对电路的影响。
此驱动电路中对于N沟道MOS管(Q1～Q4)的选取，需要注意以下三个方面：一是要求其导通与关断的响应时间要快，以适应高频率的PWM控制信号；二是要求其漏极(D)导通电流的最大值要尽量大，最好大于单个电机满载电流的2倍，以防止电机阻转时因电流过大而导致MOS管烧毁；最后是漏极与源极间的最大电压要大于电源电压的两倍，防止电机在起转及停转瞬间产生的反向电动势击穿MOS管。综合以上几个方面，本实施方式采用AO3400作为电机驱动电路中的N沟道MOS管，其导通与关断的响应时间都在10ns左右，漏极最大电流IDmax为5.7A，大于所用电机满载电流2.1A的两倍，且漏极与源极间的电压VDSmax为30V，大于最大电池电压8.4V的两倍，满足电路的需求。
电源电路
电源电路的作用是将电池提供的电源，按照飞行控制板上各个模块的不同需求加以分配，使得各电子部件能够稳定正常地运行。由于驱动电机需要较大的电流，其电源直接由电池提供，故并不包含在电源电路中。本实施方式的微小型四轴无人机的电源电路如图9所示。
由于设计中采用的电池电压(VCC_BAT)的正常范围为7.4V-8.4V，而飞行控制板的主控MCU CC3200及各种姿态传感器的工作电压都在3.3V左右，故需要将输入的电池电压进行稳压降压处理。考虑到CC3200在进行Wi-Fi无线收发过程中的瞬时功率会比较高(峰值电流约300mA)，故在设计电源电路时采用了两个独立的低压差线性稳压器(Low DropOut regulator,LDO)来分别为CC3200及姿态传感器组来提供稳定的电源。
为CC3200供电(VCC_3V3)的是SPX3819M5-L-3.3稳压芯片，其输入电压范围4.3V～16V，输出电压固定3.3V，最大输出电流500mA，满足CC3200的300mA峰值电流的需求，但成本稍高；而为姿态传感器组供电(VCC_3V3_2)的是ME6206A33稳压芯片，其最高输入电压为9V，输出电压固定3.3V，虽然最大输出电流只有250mA，但已能满足姿态传感器组的需求，且成本远低于SPX3819M5-L-3.3。
由上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
主控MCU将控制器及无线收发器集成在了单芯片内，不仅提高了飞行控制板的集成度，节省了PCB空间，还提升了系统的稳定性与鲁棒性；
使用Wi-Fi作为无线通信方式，既可以用手机App代替遥控器实现遥控功能，也为后续可能的多机编队飞行研究提供了组网的便利；
可以实时监测电池的电量来实现低电报警及低电自动降落等功能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种四轴无人机，包括机架、电机、螺旋桨、电池以及飞行控制板，其特征在于，所述飞行控制板包括：
姿态传感器组，用于检测四轴无人机的姿态数据，所述姿态数据包括瞬时加速度、角速度、磁场方向、高度数据；
电源电路，将电池提供的电源按照飞行控制板上各个模块的不同需求加以分配，使得各电子部件能够稳定正常地运行；
电机驱动电路，与电机一一对应设置，用于驱动电机转动；
主控MCU，包括控制器及无线收发器，用于将从姿态传感器组得到的姿态数据转换为四轴无人机的实际姿态及位置信息，并配合无线收发器发送来的遥控信息，通过电机驱动电路对四轴无人机的四个电机转速进行控制，实现对无人机飞行姿态的控制；
电池电量检测模块，位于电池及主控MCU之间，电池电量检测模块包括位于电池与主控MCU之间的第一电阻R16以及主控MCU与接地端之间的第二电阻R17，主控MCU采集第一电阻R16与第二电阻R17之间的电压ADC_VIN，并推算出电池电压VCC_IN，其中，ADC_VIN＝VCC_IN*R17/(R16+R17)。
2.根据权利要求1所述的四轴无人机，其特征在于，所述主控MCU为无线Wi-Fi微控制器CC3200。
3.根据权利要求1所述的四轴无人机，其特征在于，所述姿态传感器组包括惯性测量单元及位置信息测量单元。
4.根据权利要求3所述的四轴无人机，其特征在于，所述惯性测量单元包括加速度计、陀螺仪、磁力计中的一种或多种，所述位置信息测量单元包括气压计和/或超声波传感器。
5.根据权利要求3所述的四轴无人机，其特征在于，所述惯性测量单元包括贴片式QFN封装的MPU6050芯片及贴片式QFN封装的HMC5883L芯片，所述位置信息测量单元包括贴片式QFN封装的MS5611-01BA03及安装于四周无人机底部的US-100超声波传感器模块。
6.根据权利要求1所述的四轴无人机，其特征在于，所述电池电量检测模块还包括与第二电阻R17并联设置的滤波电容。
7.根据权利要求1所述的四轴无人机，其特征在于，所述电机驱动电路包括串接在电池两端的N沟道MOS管、以及连接于N沟道MOS管栅极的限流电阻，主控MCU输出PWM信号，当PWM信号维持低电平时，N沟道MOS管不导通，电机不转；当PWM信号输出高电平脉冲时，N沟道MOS管导通，电机开始转动。
8.根据权利要求7所述的四轴无人机，其特征在于，所述电机驱动电路在每个电机的两端并联设有续流二极管，用于为反向电动势提供电流通路。
9.根据权利要求1所述的四轴无人机，其特征在于，所述电源电路中设有若干低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器包括为主控MCU供电的SPX3819M5-L-3.3稳压芯片以及为姿态传感器组供电的ME6206A33稳压芯片。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160921 |