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設(shè)備與工具
電源監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
直升機(jī)能順利完成飛行任務(wù)， 充足的電源供應(yīng)不可或缺，由鋰電池的特性可知， 在過(guò)度放電的情況下， 電解液因分解而導(dǎo)致電池特性劣化并造成充電次數(shù)降低。因此為了保護(hù)電池的安全， 電源系統(tǒng)在給控制系統(tǒng)供電前要經(jīng)過(guò)欠壓保護(hù)模塊和穩(wěn)壓模塊。為了預(yù)測(cè)電源系統(tǒng)中剩余的電量， 這里采用檢測(cè)電源系統(tǒng)電壓的方法， 在測(cè)得系統(tǒng)的電源電壓后， 查找由放電曲線建立的數(shù)據(jù)庫(kù)， 就能估計(jì)出電源系統(tǒng)中所剩余的電量。
單片機(jī)所需要的電源電壓是2. 7 ~ 5.5V， 因此可為meg a16l 設(shè)計(jì)外部基準(zhǔn)電壓為2.5V， 該基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路如圖2所示。所以系統(tǒng)要檢測(cè)電池的電壓， 需要將電池用電阻進(jìn)行分壓且最大分得的電壓值不能超過(guò)2.5V.控制器測(cè)得的電壓值乘上電壓分壓縮小的倍數(shù)后， 就能得到電源系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)電壓。時(shí)刻監(jiān)測(cè)鋰電池的用電情況， 防止電池過(guò)用現(xiàn)象出現(xiàn)， 就能達(dá)到有效使用電池容量和延長(zhǎng)壽命的目的。
圖2 基準(zhǔn)電壓電路
直流無(wú)刷電機(jī)電路
無(wú)刷直流電機(jī)是由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成， 是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。直流無(wú)刷電機(jī)與一般直流電機(jī)具有相同的工作原理和應(yīng)用特性， 而其組成是不一樣的， 除了電機(jī)本身外， 前者還多一個(gè)換向電路， 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本身是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換部分， 它除了電機(jī)電樞、永磁勵(lì)磁兩部分外， 還帶有傳感器。該發(fā)電機(jī)的部分AC-DC 電路如圖3 所示。
圖3 無(wú)刷電機(jī)AC-DC 電路
充電電路
鋰離子電池的充電特性和鎳鎘、鎳氫電池的充電特性有所不同， 鋰離子電池在充電時(shí)， 電池電壓緩慢上升， 充電電流逐漸減小， 當(dāng)電壓達(dá)到4.2V 左右時(shí)， 電壓基本不變， 充電電流繼續(xù)減小。因此對(duì)于改型充電器可先用先恒流后恒壓充電方式進(jìn)行充電， 具體充電電路如圖4 所示。該電路選用LM2575(＄0.9360)ADJ 組成斬波式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器， 最大充電電流為1A.
圖4 高效開(kāi)關(guān)型恒流/ 恒壓充電器部分電路
該電路工作原理如下： 當(dāng)電池接入充電器后， 該電路輸出恒定電流， 對(duì)電池充電。該充電器的恒流控制部分由雙運(yùn)放LM358(＄0.0737) 的一半、增益設(shè)定電阻R3 和R4 、電流取樣電阻R5 和1. 23V 反饋基準(zhǔn)電壓源組成。剛接入電池后， 運(yùn)放LM358 輸出低電平， 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器LM2575-ADJ 輸出電壓高， 電池開(kāi)始充電。當(dāng)充電電流上升到1A 時(shí)， 取樣電阻R5 （50m 歐） 兩端壓降達(dá)到50mV， 該電壓經(jīng)過(guò)增益為25 的運(yùn)放放大后， 輸出1.23V 電壓， 該電壓加到LM2575 的反饋端， 穩(wěn)定反饋電路。當(dāng)電池電壓達(dá)到8.4V 后，LM3420(＄0.9940) 開(kāi)始控制LM2575ADJ 的反饋腳。LM3420 使充電器轉(zhuǎn)入到恒壓充電過(guò)程， 電池兩端電壓穩(wěn)定在8？？ 4V.R6 、R7 和C3 組成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)， 保證充電器在恒流/ 恒壓狀態(tài)下穩(wěn)定工作。若輸入電源電壓中斷， 二極管D2 和運(yùn)放LM358 中的PNP 輸入級(jí)反向偏置， 從而使電池和充電電路隔離， 保證電池不會(huì)通過(guò)充電電路放電。當(dāng)充電轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)時(shí)， 二極管D3 反向偏置， 因此運(yùn)放中不會(huì)產(chǎn)生灌電流。
TOP3 ATmega2560(＄10.4500)無(wú)人機(jī)搖桿微控制器設(shè)計(jì)方案
電源欠壓保護(hù)
電源欠壓保護(hù)由鋰電池的電池放電特性易知， 當(dāng)電池處于3.5V 時(shí)， 此時(shí)電池電量即將用完， 應(yīng)及時(shí)給電池充電， 否則電池電壓將急劇下降直至電池?fù)p壞。于是設(shè)計(jì)了一套欠壓保護(hù)電路如圖5 所示， 利用電阻分壓所得和由TL431(＄0.0625) 設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓比較， 將比較結(jié)果送人LM324(＄0.0900) 放大電路進(jìn)而觸發(fā)由三極管構(gòu)成的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)， 從而控制負(fù)載回路的通阻。試驗(yàn)證明， 當(dāng)系統(tǒng)電壓達(dá)到臨界危險(xiǎn)電壓7V 時(shí)， 系統(tǒng)的輸出電流僅為4mA， 從而防止了系統(tǒng)鋰電池過(guò)度放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。
圖5 欠壓保護(hù)電路
由于鋰離子電池能量密度高， 因此難以確保電池的安全性。在過(guò)度充電狀態(tài)下， 電池溫度上升后能量將過(guò)剩， 于是電解液分解而產(chǎn)生氣體， 因內(nèi)壓上升而發(fā)生自燃或破裂的危險(xiǎn)；反之， 在過(guò)度放電狀態(tài)下， 電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化， 從而降低可充電次數(shù)。該充電電路和本管理系統(tǒng)能有效的防治鋰電池的過(guò)充和過(guò)用， 從而確保了電池的安全， 提高鋰電池的使用壽命。
本文設(shè)計(jì)了一套UAV 電源管理系統(tǒng)， 該系統(tǒng)具有自動(dòng)控制充放電管理， 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓等功能。該系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性， 但是為了保證飛機(jī)安全， 還要做更多的試驗(yàn)以保證無(wú)人機(jī)自主飛行的安全和穩(wěn)定。除此之外， 高低頻濾波， 電池電量預(yù)測(cè)等也是重要的方向， 需要深入的研究?，F(xiàn)今， 鋰電池的使用范圍越來(lái)越廣， 其價(jià)格也相對(duì)適中，如果掌握先進(jìn)的科學(xué)的使用方法， 讓鋰電池發(fā)揮應(yīng)有的最大效用， 將會(huì)節(jié)省大量的資源和財(cái)富。
解讀ATmega2560無(wú)人機(jī)搖桿微控制器設(shè)計(jì)方案
隨著無(wú)人機(jī)正在成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和國(guó)民收入水平的提高，近年來(lái)在高校和民間都得到了更多的關(guān)注。無(wú)人機(jī)是無(wú)人駕駛飛機(jī)的簡(jiǎn)稱，是利用無(wú)線電遙控（含遠(yuǎn)程駕駛）、預(yù)設(shè)程序控制和（或）基于機(jī)載傳感器自主飛行的可重復(fù)使用不載人飛機(jī)。目前用無(wú)線電遙控的無(wú)人機(jī)大部分使用JR或者Futaba公司出品的專用遙控器，這些遙控器優(yōu)點(diǎn)是手感好，方便攜帶，但是價(jià)格高昂，通道數(shù)較少，難以滿足無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要較多通道數(shù)的要求。少部分使用PC作為控制平臺(tái)，使用了飛行搖桿作為控制器，能實(shí)現(xiàn)更專業(yè)的功能，通道數(shù)也多，但是攜帶不方便，需要攜帶手提電腦或者PC到外場(chǎng)調(diào)試，還必須考慮電池續(xù)航問(wèn)題，造價(jià)也比較高昂，且需要專業(yè)的計(jì)算機(jī)軟件知識(shí)進(jìn)行編程。
為解決上述不便，本人提出了一種基于Arduino的無(wú)人機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案。Arduino是2005年1月由米蘭交互設(shè)計(jì)學(xué)院的兩位教師David Cuartielles和Massimo Banzi聯(lián)合創(chuàng)建，是一塊基于開(kāi)放原始代碼的Simple I/O平臺(tái).Arduino具有類似java、C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，將AVR單片機(jī)相關(guān)的一些寄存器參數(shù)設(shè)置等都函數(shù)化了，即使不太了解 AVR單片機(jī)的朋友也能輕松上手，設(shè)計(jì)出各種實(shí)用的電路開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，是一款價(jià)格低廉、易于開(kāi)發(fā)做應(yīng)用的電子平臺(tái)。Arduino包括硬件和軟件在內(nèi)的整個(gè)平臺(tái)是完全開(kāi)源的。該方案由于采用Arduino平臺(tái)，能快速開(kāi)發(fā)出用較低成本的飛行搖桿來(lái)進(jìn)行操縱航模，體驗(yàn)真實(shí)飛行的感覺(jué)。由于接口較多，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 20通道以上，能執(zhí)行各種擴(kuò)展任務(wù)，且不需要攜帶電腦。
系統(tǒng)原理與架構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)框圖如圖1所示，分為兩大部分，分別是地面控制部分和控制執(zhí)行部分。地面控制部分是由單片機(jī)讀取飛行遙桿的數(shù)據(jù)，即可獲得飛行搖桿各個(gè)通道的即時(shí)電壓，通過(guò)模式轉(zhuǎn)換后，得到各個(gè)通道的值。將上述值經(jīng)過(guò)編碼后通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊發(fā)送出去。
空中指令執(zhí)行部分：
由空中無(wú)線數(shù)傳接收到信號(hào)后將指令發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)將指令解析，并轉(zhuǎn)換為飛控系統(tǒng)常用的PPM信號(hào)，該P(yáng)PM信號(hào)可以直接驅(qū)動(dòng)飛控系統(tǒng)做出響應(yīng)動(dòng)作，從而控制無(wú)人機(jī)。
模塊原理、設(shè)計(jì)與制作
1.搖桿信號(hào)獲取原理
要得到飛行搖桿當(dāng)前的桿量，一個(gè)方法是通過(guò)搖桿的usb接口讀取，由于各個(gè)廠家的通訊協(xié)議都不兼容，有些還必須獲得授權(quán)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較麻煩。另一個(gè)方法是直接獲取搖桿的電位器值。實(shí)際上現(xiàn)在市面上的搖桿除了非常高端的搖桿用了霍爾傳感，大部分都采用了普通的電位器，按照可變電阻來(lái)讀取即可。本模塊采用市場(chǎng)上常見(jiàn)的賽鈦客FLY5飛行搖桿，拆開(kāi)來(lái)外殼，所有電位器都是用3P的白色連接插座和電路板連接的，XYZ三軸用來(lái)控制飛機(jī)姿態(tài)（升降、副翼和方向），油門由拉桿控制，苦力帽可以用來(lái)控制fpv攝像頭云臺(tái)，還有其他的按鍵可以映射為其他通道，例如空中投擲物體，自動(dòng)回家，切換飛行模式等。
2.桿量解析處理模塊
我們采用的單片機(jī)系統(tǒng)采用了ArduinoM E G A 2 5 6 0 開(kāi)發(fā)板。該開(kāi)發(fā)板是一塊以ATmega2560為核心的微控制器開(kāi)發(fā)板，本身具有54組數(shù)字I/O其中14組可做PWM輸出），16組模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端，4 組串口，使用16MHz的晶振。讀取搖桿的XYZ軸的電阻值，只需將電位器的電源和地接在電調(diào)輸出的5v和地上，信號(hào)線接在Arduino板的模擬輸入口上，由于Arduino的AD讀取精度最高是10位，在程序里將電阻值映射成0到1023的數(shù)值，F(xiàn)LY5飛行搖桿的分辨率大概在800~900左右。飛行搖桿的電位器是線性的，反應(yīng)較為靈敏的。實(shí)際測(cè)試中搖桿回中后，和打到最大和最小的地方，數(shù)據(jù)會(huì)有一些波動(dòng)和噪點(diǎn)，采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理，可以獲得平滑的曲線。
3.無(wú)線收發(fā)模塊
無(wú)線數(shù)傳模塊采用了一對(duì)X b e e P R O900HP無(wú)線收發(fā)模塊，該模塊功率為250mW.它們分別用來(lái)連接地面控制板單片機(jī)和連接飛行控制的單片機(jī)。配備原裝天線，最遠(yuǎn)可以達(dá)到10KM，比傳統(tǒng)遙控器距離極大的增加。標(biāo)準(zhǔn)的串口TTL接口，將RX和TX分別接在單片機(jī)板上的TX和RX端口上即可。波特率設(shè)置為115200(＄0.1530)，數(shù)傳是半雙工的，通訊增加CRC校驗(yàn)，防止數(shù)據(jù)丟包和被干擾篡改。
本文提供的解決方案，成本較低，開(kāi)發(fā)方便，易于實(shí)現(xiàn)。不足之處是單向傳輸雖然延時(shí)低，但是無(wú)法實(shí)時(shí)返回飛行器的各種數(shù)據(jù)。為解決該問(wèn)題，只能使用2對(duì)無(wú)線模塊，或采用MIMO天線能實(shí)現(xiàn)全雙工的無(wú)線模塊，才能解決。后期將會(huì)繼續(xù)研究，以實(shí)現(xiàn)低成本的雙向傳輸，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)返回的OSD和低延時(shí)控制。
TOP4 無(wú)人機(jī)陀螺儀主控芯片STM32(＄18.3200)應(yīng)用詳解
在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)與地面站通信過(guò)程中，機(jī)載陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)的高速產(chǎn)生與外部相對(duì)低速的無(wú)線數(shù)據(jù)模塊傳輸?shù)拿苋找嫱怀?，?yán)重制約著無(wú)人機(jī)的發(fā)展。針對(duì)這一問(wèn)題，采用FPGAFIFO作為高速數(shù)據(jù)緩沖，提出一種基于FPGA內(nèi)建FIFO的無(wú)人機(jī)陀螺儀前級(jí)通信接口。通過(guò)高速異步FIFO緩沖，將無(wú)人機(jī)陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)由FPGA準(zhǔn)確無(wú)誤地發(fā)送給地面站，顯著提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了高速芯片與低速設(shè)備之間的通信。整個(gè)設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，滿足了低誤碼率與高穩(wěn)定性的要求，以及無(wú)人機(jī)與地面站高速通信的需求，有著廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)于地面站發(fā)送的控制信號(hào)以及飛行器傳回的姿態(tài)數(shù)據(jù)有著極高的實(shí)時(shí)性、可靠性與穩(wěn)定性要求，這對(duì)無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。對(duì)于采用 ARM作為微處理器的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)往往需要協(xié)調(diào)基于ARM處理器的高速陀螺儀模塊與相對(duì)低速的外部無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊間的工作。在通信高穩(wěn)定性與低誤碼率的要求下，處理器不得不花時(shí)間運(yùn)行空操作來(lái)等待外部相對(duì)低速的傳輸模塊完成一幀數(shù)據(jù)的收/發(fā)。由于等待所浪費(fèi)的處理器運(yùn)算周期無(wú)形中降低了整個(gè)飛控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，進(jìn)而帶來(lái)許多潛在的不穩(wěn)定因素。本設(shè)計(jì)結(jié)合無(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展需求，采用FPGA FIFO作為高速數(shù)據(jù)緩沖，提出一種基于FPGA內(nèi)建FIFO的無(wú)人機(jī)陀螺儀前級(jí)通信接口。通過(guò)高速異步FIFO緩沖，將無(wú)人機(jī)陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)由 FPGA準(zhǔn)確無(wú)誤地發(fā)送給地面站，保證了傳輸質(zhì)量，架起了高速芯片與低速設(shè)備之間溝通的橋梁。
2025-08-26 13:48
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