基于FET1052-C的四軸飛行器的方案
一、背景
多旋翼無(wú)人機(jī)是一種能夠垂起降的無(wú)人直升機(jī)，其發(fā)展歷史最早可以追溯到1907年，當(dāng)時(shí)Breguet兄弟Louis和Jacque在法國(guó)科學(xué)家CharlesRichet的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)制造了世界上第一架有人駕駛的多旋翼飛機(jī)------“旋翼一號(hào)”。
多旋翼無(wú)人機(jī)可分為四旋翼、六旋翼、八旋翼等類(lèi)型，還有一些特殊造型的多旋翼無(wú)人機(jī)，其最大的特點(diǎn)就是具有多對(duì)旋翼，并且每對(duì)旋翼的轉(zhuǎn)向相反，用來(lái)抵消彼此反扭力矩。
? 多旋翼無(wú)人機(jī)相較于其他無(wú)人機(jī)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)
■ 與固定翼飛機(jī)相比，它具有 可以垂直起降、定點(diǎn)盤(pán)旋的優(yōu)點(diǎn)；
■ 與單旋翼直升機(jī)相比，它采用無(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力，并且沒(méi)有尾槳裝置，因此具有 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。
多旋翼無(wú)人機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，使它在以下領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用：
? 教育科研領(lǐng)域應(yīng)用
多旋翼無(wú)人機(jī)的研究涉及到自動(dòng)控制技術(shù)、MEMS傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)等，是多科學(xué)領(lǐng)域融合研究的一個(gè)理想平臺(tái)；
? 航拍領(lǐng)域應(yīng)用
利用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)設(shè)備（可見(jiàn)光相機(jī)/紅外相機(jī)），并配備圖像傳輸系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于影視航拍；
除了上述場(chǎng)景，多旋翼無(wú)人機(jī)還可以應(yīng)用與警用領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、交通領(lǐng)域、環(huán)保領(lǐng)域、救生醫(yī)療領(lǐng)域、電力行業(yè)、林業(yè)消防等領(lǐng)域。
二、概述
一、概述
目前比較成熟的方案是一顆MCU作飛控，它需要讀取傳感器數(shù)據(jù)、控制飛行姿態(tài)、完成通訊任務(wù)等。另外還需要四顆專(zhuān)用的MCU，用來(lái)驅(qū)動(dòng)BLDC，一般講四顆專(zhuān)用的MCU除去控制電機(jī)外，還會(huì)處理一些其他的事情并留有余量。
而這些控制和操作現(xiàn)在僅用一顆i.MX RT就能搞定，i.MX RT1052是業(yè)界首款跨界處理器，它將應(yīng)用處理器的高性能和高集成度與微控制器的易用性和實(shí)時(shí)功能相結(jié)合。i.MX RT1052是Arm?Cortex?-M7架構(gòu)，主頻高達(dá)600MHz，同時(shí)具有4組PWM模塊、適合多電機(jī)模擬信號(hào)采樣的ADC_ETC模塊，及豐富靈活的通訊接口，所以搞定飛控+4個(gè)BLDC電機(jī)控制自然不在話(huà)下。
飛凌的FET1052-C核心板已經(jīng)將電源、復(fù)位監(jiān)控電路、存儲(chǔ)電路集成與一個(gè)小巧的模塊上，外部所需的電路非常簡(jiǎn)潔，構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng)只需要5V電源、復(fù)位按鍵、啟動(dòng)配置即可，如下圖所示：
核心板將處理器功能管腳全部引出，可配置出124個(gè)GPIO。源生支持LCD、Camera、USB、UART、CAN、Ethernet、PWM等功能接口。
可靈活配置RAM和Flash，目前支持以下兩種配置：
三、硬件結(jié)構(gòu)
三、硬件結(jié)構(gòu)
圖一 硬件架構(gòu)
圖一為基于FET1052-C核心板的四軸飛行器的硬件架構(gòu)。
驅(qū)動(dòng)板搭載250軸距的全碳纖維機(jī)架和2212電機(jī)。強(qiáng)勁動(dòng)力，搭載5.8G圖傳模塊，既可以航拍也可以飛穿越。
四、硬件原理圖
四、硬件原理圖
1、鋰電池充電電路
使用HY2213_BB3A芯片，通過(guò)單獨(dú)控制單節(jié)鋰電池的充電電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)三節(jié)鋰電池的均衡充電，并且每一節(jié)鋰電池的電壓均通過(guò)ADC采集，發(fā)送到CPU，用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池電量，防止電池過(guò)放。當(dāng)電量不足時(shí)報(bào)警，提示需要返航，或者自動(dòng)返航。
2、系統(tǒng)供電電路
FET1052-C核心板僅需要5V供電即可，但是需要控制上電時(shí)序，底板供電需要通過(guò)K7_ON_REQ控制。以確保核心板先上電底板后上電，防止閂鎖效應(yīng)的發(fā)生。
3、BOOT配置
通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)選擇啟動(dòng)方式。
4、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
三相橋MOS管驅(qū)動(dòng)電路：FET1052-C核心板輸出PWM到柵極驅(qū)動(dòng)單元（GDU:Gate Driver Unit），GDU分為高邊柵極驅(qū)動(dòng)和低邊柵極驅(qū)動(dòng)（HS/LS Gate Driver），分別為高低邊的MOS管提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓，高邊驅(qū)動(dòng)內(nèi)部還包含自舉電容升壓電路；
采樣電阻：每一相驅(qū)動(dòng)回路串聯(lián)一個(gè)采樣電阻，將流經(jīng)電機(jī)的電流變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化；
運(yùn)放電路：對(duì)采樣電阻上的電壓變化進(jìn)行放大，給到MCU的ADC模塊進(jìn)行采集，軟件還原出電流的變化，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)相電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)。
5、傳感器電路
傳感器使用的是IIC接口的陀螺儀、加速度傳感器和氣壓計(jì)。
6、無(wú)線(xiàn)模塊電路
無(wú)線(xiàn)模塊選擇SPI接口的2.4G無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊。通過(guò)信號(hào)增強(qiáng)電路，使得傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)，信號(hào)比較穩(wěn)定。
7、圖傳模塊電路
圖傳模塊選擇5.8G的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。圖像傳輸流暢穩(wěn)定。
五、PCB設(shè)計(jì)
五、PCB設(shè)計(jì)
1、布局
電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要較大的電流，而MCU的控制、通訊信號(hào)為小電流信號(hào)。電機(jī)的換相會(huì)導(dǎo)致GND平面的電勢(shì)變化，GND的電勢(shì)變化可能會(huì)影響到信號(hào)的質(zhì)量，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致MCU的異常復(fù)位，因此需要做大電流電路和小電流電路的分割。
如下圖所示為四通道電調(diào)的PCB布局示意圖，將電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路放在右側(cè)，左側(cè)為小信號(hào)電路。2.4G和5.8G無(wú)線(xiàn)模塊電路單獨(dú)使用一個(gè)PCB，通過(guò)排線(xiàn)與主板相連接。
2、GND分割
有了上述的PCB布局，地平面就很好分割了。如下圖所示分別為大電流和小電流的回流路徑，二者在PCB上互不干擾。電源分割為12V和3.3V的電源域，GND分割為大電流地和小信號(hào)地，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)在電源輸入端進(jìn)行單點(diǎn)連接。
3、信號(hào)走線(xiàn)
采樣電阻到運(yùn)放電路的走線(xiàn)需要盡量短，從采樣電阻的GND端單獨(dú)拉一條走線(xiàn)連接到運(yùn)放的輸入端；
射頻信號(hào)線(xiàn)的阻抗控制在50歐。
六、結(jié)束語(yǔ)
六、結(jié)束語(yǔ)
基于飛凌的FET1052-C的四軸飛行器的方案就介紹到這里了，主要和大家分享了FET1052-C的性能參數(shù)和四軸飛行器方案的硬件設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容，包含基本的原理圖電路設(shè)計(jì)和PCB布局的注意事項(xiàng)。
飛凌FET1052-C核心板功能強(qiáng)大、接口資源豐富、二次開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單。非常適合應(yīng)用到無(wú)人機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器人、室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)、家電系統(tǒng)控制等領(lǐng)域。希望大家可以多多關(guān)注。
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