微型飞行器系统主板电路设计与实现Word文档格式.docx
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［关键词］微型飞行器；
控制理论与应用；
片上系统；
多传感器
ElectronicInformationEngineeringSpecialty
Abstract:
TheFreescaleK60processorasthecorecontrolplatformforthedesigntocompletethemicroairvehiclesystemboardcircuitdesign.ThesystemusesabrushlessDC（DirectCurrent）motorastheexecutivebodyoftheaircraft,usingtheelectronicspeedcontrolofbrushlessDCmotor;
TakingInertialmeasurementunitandpositionsensorsrespectivelyasthemeasurementofattitudeandpositiontocomplishmicro-airvehicle’sneedtogetthespacecraftattitudeandcontrolrequirementsofthepositionsignal;
UsingacombinationofGPS（GlobalPositionSystem）/INS（InertialNavigationSystem）,long-termhigh-precisionGPSandINSshort-termhigh-precision,combinedtheuseofmulti-sensorfusiontechnology,accesstohigh-precisionpositioncorrectionsoastoachievehighmicroairvehicleprecisionpositioningandnavigation.Thedesignusesahighlyintegratedsystem-on-chiptoreducetheweightofthesystem,provesystemperformanceandreducesystempowerconsumption.Eventually,theexperimentalplatformexperimentverifiesthefeasibilityandeffectivenessofthemethod.
Keywords:
microairvehicle（MAV）;
controltheoryandapplication;
embeddedsystem;
multi-sensor
目录
1引言1
1.1题目综述1
1.2国内外研究现状及其发展1
1.2.1国外研究现状1
1.2.2国内研究现状2
1.2.3未来发展情况2
1.3本文主要研究内容2
2微型飞行器的结构形式和工作原理3
2.1微型飞行器的结构形式3
2.2微型飞行器的工作原理3
2.2.1微型飞行器的控制原理4
2.2.2微型飞行器的飞行原理4
3微型飞行器总体方案论证5
3.1控制器的选型6
3.2传感器模块的选型7
3.2.1陀螺仪选型8
3.2.2加速度计选型8
3.2.3高度计选型8
3.2.4磁导航计选型8
4微型飞行器系统硬件设计9
4.1系统的电源电路设计9
4.2传感器部分电路设计10
4.2.1加速度传感器与陀螺仪11
4.2.2数字罗盘硬件电路11
4.2.3气压计和超声波传感器硬件电路12
4.2.4GPS接收机及其工作电路13
4.2.5无线模块电路14
4.2.6电机控制模块电路15
4.2.7SIM_CARD模块电路15
5总结和展望17
参考文献18
附录19
致谢20
1引言
1.1题目综述
微型飞行器是一种由无线电遥控设备依靠自身程序控制装置操纵的微型无人驾驶飞行器。
微型飞行器不需要飞行员在机舱内进行驾驶，飞行全过程在电子设备的控制下自主完成。
飞行器上不用安装任何与飞行员有关的设备，这样可以腾出空间装更重要的设备。
另外，使用微型飞行器不用担心飞行员的伤亡问题。
微型飞行器可以垂直起飞降落，不需要跑道，能够实现悬停、横飞、倒飞、慢速巡航以及超低空飞行等多种飞行方式，具有结构简单、成本低等优点。
基于这些优势微型飞行器在民用方面，可以完成航拍、抢险救灾、地形勘测、通信中继、环境监测等任务。
能够灵活应用于复杂的城市上空，具有很强的实用性。
在军事上，则可应用于边境巡逻与控制、毒品禁运、军事侦察等方面。
作为微型飞行器控制的核心处理器需要处理各种信息，包括无线收发、传感器数据测量和处理、电机控制、通信等。
针对这些要求，使用飞思卡尔K60微处理器凭借其自身优势可以轻松地应对。
1.2国内外研究现状及其发展
1.2.1国外研究现状
在国外，微型飞行器很早就开始研制。
美国是研究微型飞行器最早的国家。
早在1996年，美国国防部就把微型飞行器列为21世纪美国排级士兵的随身装备，而在1997年4月，美国DARPA正式立项，制订了一个为期4年、耗资3500万美元的微型飞行器研究与验证计划。
1998年4月美国国防高级研究计划局（DARPA）与一些研究单位签订了研究合同，其研究范围涉及飞行器及其主要子系统，如推进系统、飞行控制、引导系统和传感器等相关技术的研究。
美国在微型飞行器的研究方面已取得了重大进展，其技术水平目前处于世界领先地位。
例如，美国的卡曼公司早在50年代就曾推出无人驾驶直升机，并且己经有一些型号投入了实际运用阶段。
法国也对该领域进行了开发与研究，他们首先对翼展为20cm的微型飞行器进行了概念性研究。
法国武器装备部在2000年启动了为期5年的联合计划，目的是对微型飞行器及其系统技术和作战使用进行论证。
法国研制的微型飞行器在2005年进行了首次飞行（不带有效载荷）。
最初两年的研究在几所大学和工业部门的科研实验室联合进行，并向法国武器装备部提供设计方案。
该联合计划源于30年的远景规划。
法国武器装备部对微型飞行器联合计划非常重视，武器装备部负责陆空联防系统的一位官员预计，微型飞行器将用于陆军执行观测任务，即观测复杂战区，如城市和楼群；
也可扩大步兵的作战视野。
另外，英、德、以色列等国也对微型飞行器进行了积极的研究与探索。
1.2.2国内研究现状
国内对微型飞行器的开发起步较晚，至今仍然远落后于欧美与日本。
南航、北航等少数科研机构虽制作出了样机，但因缺乏微型飞行器控制上的核心技术与经验，无法得到满意的飞行性能，至今尚未有性能稳定的微型飞行器研制成功的报道。
我国在航空发动机控制研究方面有60多年的历史，20世纪50年代中期，国内某发动机控制器设计与制造工厂即开始了机械液压式控制器的研制，之后不断的改进改型，并且先后研制了各种新型号的发动机控制器；
20世纪80年代后期，国内有关研究所、工厂及学校合作对航空发动机数字式电子控制系统进行了研究，为全面突破航空发动机全权限数字式电子控制系统各项关键技术制订了研究与发展计划；
20世纪90年代以来，我国航空动力控制系统研究所完成了设计比较完善、技术比较成熟的全权限数字式电子控制系统的研制，之后，对该系统进行了各项试验和试飞验证；
国内对控制理论在航空发动机控制中的应用研究，开始于20世纪80年代初期，30余年来对航空发动机的自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制、性能优化控制以及非线性控制等进行了较多的理论和应用探讨，取得了一定的进展。
1.2.3未来发展情况
从目前微型飞行器的研究现状和未来高新技术的发展来看，微型飞行器将会有以下的发展趋势：
（1）微型飞行器技术将会更加成熟
按照目前的研究进度,可以预测十年内微型飞行器的性能将会显著改善。
微型飞行器的留空时间会由目前的几十分钟发展到几小时，作战半径将由几公里增加到上百公里，并且将可以实现完全的自主飞行。
目前，美国航空环境公司研制和生产的微型飞行器“黄蜂”（WASP）采用锂电池已经创造了一项最长时间（107min）的飞行记录。
（3）微型飞行器用于“火蚁战争”
这是一种全新的战争形态，未来的战争将不再是以坦克、军舰和有人驾驶飞行器为特征的常规作战模式，大量灵巧的微型传感器（微型飞行器或其变体）将综合成全球天基侦察系统，那时将会有成千上万可以飞行、爬行、盘旋的昆虫大小的武装微型飞行器被用来探测、跟踪、瞄准、攻击和着陆到任意大小的军事目标。
1.3本文主要研究内容
由于微型飞行器对本身的重量、性能、功耗、飞行时间等有严格的要求，因此本系统对CPU、传感器等芯片选型十分严格。
本设计的主要内容有以下几方面：
（1）要尽可能大地提高系统的集成度。
可以运行在复杂嵌入式运算模式下，可以同时满足对系统的控制和对图像的处理；
（2）要尽量选用封装小的传感器等芯片。
这样一来可以选用本身重量比较轻的芯片，二来可以减少PCB版的面积，从而减轻重量；
（3）保证系统的能源供应。
由于本系统采用电池供电，因此必须购买高能量密度放电电流大的锂电池，以便维持它的飞行时间，或者自己开发高性能的聚合物电池；
（4）系统的推进器必须重量轻、功率大，因此它必须有高效的能量转换，这样才能提供足够大的动力源。
2微型飞行器的结构形式和工作原理
2.1微型飞行器的结构形式
直升机在巧妙使用总距控制和周期变距控制之前，四旋翼结构被认为是一种最简单和最直观的稳定控制形式。
但由于这种形式必须同时协调控制四个旋翼的状态参数，这对驾驶员的操纵来说是一件非常困难的事，所以该方案始终没有真正在大型直升机设计中被采用。
这里微型飞行器重新考虑采用这种结构形式，主要是因为总距控制和周期变距控制虽然设计精巧，控制灵活，但其复杂的机械结构却使它无法在小型飞行器设计中应用。
另外，微型飞行器的旋翼效率相对很低，从单个旋翼上增加拉力的空间是非常有限的，所以采用多旋翼结构形式无疑是一种提高微型飞行器负载能力的有效手段。
至于四旋翼结构存在控制量较多的问题，则有望通过设计自动飞行控制系统来解决。
微型飞行器的结构形式如图1所示。
图1微型飞行器的结构
飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称安装在飞行器的支架端，支架中间安放飞行控制计算机和外部设备。
2.2微型飞行器的工作原理
典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾桨。
他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。
微型飞行器与此不同，是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。
微型飞行器是一种六自由度的垂直升降机，非常适合在静态和准静态条件下飞行。
但是飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。
2.2.1微型飞行器的控制原理
电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。
微型飞行器各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。
微型飞行器独特的机械结构决定了它可以通过只改变旋翼转速的方法来实现俯仰、滚转和偏航运动。
当需要作俯仰的动作时，只要控制前后两个旋翼使其在转速上有一个差值即可。
同样的原理，当要作滚转运动时只要控制左右两个旋翼即可。
在保持对角线上的两个旋翼的转速相同的情况下，使相邻的两个旋翼的转速有差值就可以实现偏航运动。
但必须明确一点，以上三种运动过程中总的旋转力矩必须保持恒定。
2.2.2微型飞行器的飞行原理
（1）垂直升降与悬停
两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，飞行器便离地垂直上升；
反之，同时减小四个电机的输出功率，飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了垂直运动。
当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。
保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。
飞行器的垂直位置控制如图2所示。
图2飞行器的垂直位置控制
（2）横向飞行与俯仰运动
电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。
为了防止旋翼转速的改变引起飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3的转速应相等。
当电机1的转速上升，电机3的转速下降时，产生的不平衡力矩使机身旋转，同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便向另一个方向旋转，从而实现飞行器的俯仰运动。
飞行器的俯仰运动控制如图3所示。
图3飞行器的俯仰运动控制
（3）水平旋转
保持左右旋翼电机的输出功率相同，前后旋翼电机的输出功率相同，改变其中一组的输出功率，使得两组旋翼的转速不同，产生不能抵消的反扭矩，从而使得机体产生顺时针或逆时针的水平旋转。
飞行器的水平旋转控制如图4所示。
图4飞行器的水平旋转控制
当飞行器处于悬停和准稳态飞行时，可以把飞行器这一非线性系统近似为线性系统，这样，在控制飞行器稳定飞行时就可以将飞行器的姿态稳定分为三个独立的通道（偏航、俯仰、横滚）分别控制。
在实际系统中，控制对象是无刷电机和螺旋桨。
螺旋桨（包括无刷电机）的转动产生力、力矩和扭矩，作用于飞行器，就得到陀螺仪输出的各姿态角角速率，对角速率积分就得到各姿态角；
在PID控制器中，微分参数的作用也很重要，既可以使整个系统的相位提前，又可以消除飞行器抖动，从而保证整个系统的稳定。
3微型飞行器总体方案论证
微型飞行器的最主要特征就是机体小，载荷十分有限。
相对常规无人机而言，很容易受飞行环境的影响，如阵风和气流的干扰。
因此微型飞行器对系统的稳定性要求比较高。
而微型飞行器的稳定和导航需要快速的控制系统。
另一方面，微型飞行器的形状千姿百态，并且微型飞行器的数字模型也难以建立，这样给控制系统的设计带来了比较大的问题。
然而实用的微型飞行器一定要方便操作，因此必需具有一定的自主控制能力，使得在遥控范围外能够自主飞行。
实现微型飞行器控制，必须处理好以下几点：
（1）微型飞行器作为一个小型无人机，必须要有一个可靠性非常强的无线通信方式，保证飞行器能够有效地接收到遥控器或其他设备发出的控制信号，同时反馈实时的飞行器自身状态，以达到有效地监控和数据采集。
（2）要做到对一个飞行器有效地实时、闭环反馈控制，必须能够测量得到飞行器本身的飞行状态，既要有精确有效的传感器获取飞行器的姿态，同时处理器又能高效地采集数据。
（3）微型飞行器虽然机械结构简单，但却是一个高阶非线性、多变量、强藕合的欠驱动系统，要能够使飞行器安全稳定的飞行，必须有一个合理的控制算法，也即要求一个处理能力强的处理器处理控制算法。
微型飞行器的系统框架如图5所示。
图5微型飞行器系统框架
3.1控制器的选型
微型飞行器的控制芯片必须能够做到快速应答控制信号，快速处理传感器信号和快速处理控制器算法，对这些要求则需要一个可靠性高、数据响应和处理能力强的处理器。
本设计考虑到以ARM9或者K60作为整个系统的控制核心，两者各有其特点。
以下对两者进行比较：
ARM9处理器,采用S3C2440处理器，采用ARM920T内核，有以下优点：
（1）五级整数流水线，高效率执行指令，大部分指令可以在1或2个时钟周期完成；
（2）1.1MIPS/MHz的哈佛结构，可以实现复杂的控制算法；
（3）支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集，能够高速进行数据处理；
（4）主频最高可以达到533MHz，并且有丰富的外设接口,包括I2C总线、SPI接口等，利用I2C可以快速地与电调通信以达到快速控制的要求；
（5）模数变换器（analog-to-digitalconverter,ADC）在2.5MHz的A/D转换器时钟下转换速率可以达到500KSPS，能够很好地对数据进行采集。
但是ARM9处理器编程难度较大，不容易上手，而且价格较高，所以会导致整个微型飞行器的性价比不高。
k60系列芯片以ARMCortex-M4为内核，具有IEEE1588以太网、全速和高速USB2.0OTG、硬件解码能力和干预发现能力。
芯片从带有256KBflash的100引脚的LQFP封装到1MBflash的256引脚的MAPBGA封装，具有丰富的电路、通信、定时器和控制外围电路。
高容量的K60系列带有一个可选择的单精度浮点处理单元、NAND控制单元和DRAM控制器。
K60具有以下优点：
（1）编程难度低，容易上手，价格与ARM9芯片相比较便宜；
（2）基于ARMv7的体系结构ARMCortex-M4内核的32位MCU，带有DSP指令、1.25DMIPS/MHz；
（3）内部集成6,12，16位模数转换（ADC）和可编程放大增益滤波器（PGA）；
（4）有丰富的外设接口,包括I2C总线、SPI接口，硬件支持IEEE1588的10/100MB/s以太网MAC（MII和RMII），支持所有的CAN2.0总线协议；
（5）具有中断功能的GPIO可以承受5V；
（6）宽工作电压范围在1.71V至3.6V的闪存可编程下降至1.71V的全功能闪存和模拟外设。
综上所述，结合自身情况最后决定选用K60芯片作为整个系统的核心控制器。
3.2传感器模块的选型
微型飞行器在某个时刻的状态由6个物理量来描述，包括在三维坐标中的3个位置量和沿3个轴的姿态量（即称为六自由度）。
为能够有效地控制微型飞行器，需要通过传感器有效地测量得到飞行器的姿态，飞行器的实时高度，对微型飞行器进行姿态反馈控制则需要测量得到滚转角、偏航角和俯仰角，同时测得它们对应的角速度。
根据以上参数，进行以下选型：
3.2.1陀螺仪选型
为了测量四旋翼飞行器的3轴角速度，选用意法（ST）公司的三轴数字输出陀螺仪L3G4200D，负责采集四旋翼飞行器3个方向的角速率（俯仰角速率、横滚角速率、偏航角速率）。
该传感器采用专用微加工工艺制造，其接口采用CMOS制程。
同时，该传感器还提供三种不同带宽（250/500/2000dps）供用户选择。
L3G4200D是采用一个感应结构，同时检测3条正交轴向运动的3轴数字陀螺仪。
这种创新的设计概念大幅提升运动控制式消费电子应用的控制精度和可靠性，为设备的用户界面实现前所未有的现场感。
现有的3轴陀螺仪解决方案依赖两个或3个独立的感应结构，顶多是在同一硅基片上；
而意法半导体的陀螺仪则是3轴共用一个感应结构，这一突破性概念可以消除轴与轴之间的信号干扰，避免输出信号受到干扰信号的影响。
3.2.2加速度计选型
加速度计是一种测量运动物体加速度的仪器，微加速度计用来探测机械系统运动中有关的动态力。
大多数加速度计的工作原理是基于机械运动的，加速度计的主要元件是一个由弹簧支撑的质量块。
质量块通常与阻尼器连在一起，后者提供必要的阻尼效应，弹簧和阻尼器依次连接到一个外壳上。
因为飞行器对数据的精确性和抗干扰性有较高的要求，应用环境主要是室外的低速运动场合，每个轴向的加速度并不大。
因此在本系统中，采用ADI公司的ADXL345加速度计，它是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，低功耗，重量只有0.1克，分辨率高（13位），测量范围达±
16g。
ADXL345非常适合飞行器的应用。
它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。
其高分辨率（3.9mg/LSB），能够测量不到1.0°
的倾斜角度变化。
3.2.3高度计选型
超声波传感器，利用向目标发射超声波脉冲，计算其往返时间来测量高度的，其优点是价格便宜，易于使用，缺点是只能在短距离内给出精确的测量。
BMP085气压计的低功耗、低电压的电学特性使它可以很好的适用于微型飞行器上，其测量范围广，但是其精确度较差，且受外界影响因素多。
所以本系统利用气压计BMP085配合超声波传感来测量高度，可以将测量误差控制在lm以内，比一般GPS测量的误差小。
3.2.4磁导航计选型
由于惯性测量单元的误差随时间积累，单独提供飞行器的姿态信息不能满足系统的自主飞行控制要求，因此需要使用三轴磁航向计对惯性测量单元的航向姿态信息进行修正。
虽然磁航向计信号时间较长，但是不能单独为微型飞行器的飞行控制提供可用的导航信号，但它是导航测量系统中必不可少的测量姿态的辅助传感器。
系统选用霍尼韦尔公司的三轴式数字罗盘HMC5883L对惯性导航系统进行姿态校准。
HMC5883L是一种表面贴装的高集成度、带有I2C数字接口的弱磁传感器芯片。
它内含有最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路（包括有放大器、自动消磁驱动器和偏差校准等），具有12位模数转换器能使罗盘精度控制在1o～2o之间。
4微型飞行器系统硬件设计
系统电路设计的好坏，对于整个系统能否正常工作有着决定性的影响。
本系统电路有较大一部分器件采用MEMS技术制造的芯片以便优化系统性能，比如加速度计、陀螺仪、超声波传感器等。
系统的硬件分成2个部分：
基板部分、传感器部分。
系统的核心板为K60，K60的核心板接口图如图6所示。
图6K60核心板接口图
飞行器的飞行控制方式与控制规律采用航段处理。
在飞行和着陆阶段可以人工遥控，在自主飞行阶段，采用数字罗盘、空速传感器、速率陀螺、GPS来控制和维持飞行器的姿态和航迹。
4.1系统的电源电路设计
系统电源模块的主要功能是给飞行器的其他模块提供
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