基于FET1052-C的四軸飛行器的方案

原創(chuàng) 2019-11-09 14:51:00 RT1052 四軸飛行器方案 多旋翼無人機(jī)方案

背景:

多旋翼無人機(jī)是一種能夠垂起降的無人直升機(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”。

多旋翼無人機(jī)可分為四旋翼、六旋翼、八旋翼等類型,還有一些特殊造型的多旋翼無人機(jī),其最大的特點(diǎn)就是具有多對旋翼,并且每對旋翼的轉(zhuǎn)向相反,用來抵消彼此反扭力矩。


多旋翼無人機(jī)相較于其他無人機(jī)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢:

 與固定翼飛機(jī)相比,它具有  可以垂直起降、定點(diǎn)盤旋 的優(yōu)點(diǎn);

 與單旋翼直升機(jī)相比,它采用無刷電機(jī)作為動(dòng)力,并且沒有尾槳裝置,因此具有  結(jié) 構(gòu)簡單、安全性高、使用成本低 等優(yōu)點(diǎn)。

多旋翼無人機(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

利用多旋翼無人機(jī)搭載相機(jī)設(shè)備(可見光相機(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;




 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。另外還需要四顆專用的MCU,用來驅(qū)動(dòng)BLDC,一般講四顆專用的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)控制自然不在話下。

飛凌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:

基于FET1052-C的四軸飛行器的方案

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。

基于FET1052-C的四軸飛行器的方案


可靈活配置RAM和Flash,目前支持以下兩種配置:

基于FET1052-C的四軸飛行器的方案

 二、硬件結(jié)構(gòu)  

四軸飛行器硬件架構(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。

 三、硬件結(jié)構(gòu)  


1、鋰電池充電電路

使用HY2213_BB3A芯片,通過單獨(dú)控制單節(jié)鋰電池的充電電壓來實(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ADC采集,發(fā)送到CPU,用來實(shí)時(shí)監(jiān)控電池電量,防止電池過放。當(dāng)電量不足時(shí)報(bào)警,提示需要返航,或者自動(dòng)返航。

基于FET1052-C的四軸飛行器的方案


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。

基于FET1052-C的四軸飛行器的方案



3、BOOT配置

通過撥碼開關(guān)來選擇啟動(dòng)方式。

基于FET1052-C的四軸飛行器的方案



4、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

基于FET1052-C的四軸飛行器的方案


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)了對電機(jī)相電流的實(shí)時(shí)檢測。

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、無線模塊電路

無線模塊選擇SPI接口的2.4G無線發(fā)送模塊。通過信號增強(qiáng)電路,使得傳輸距離相對較遠(yuǎn),信號比較穩(wěn)定。

7、圖傳模塊電路

圖傳模塊選擇5.8G的無線傳輸模塊。圖像傳輸流暢穩(wěn)定。


 四、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、通訊信號為小電流信號。電機(jī)的換相會(huì)導(dǎo)致GND平面的電勢變化,GND的電勢變化可能會(huì)影響到信號的質(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)為小信號電路。2.4G和5.8G無線模塊電路單獨(dú)使用一個(gè)PCB,通過排線與主板相連接。

基于FET1052-C的四軸飛行器的方案

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、信號走線

■ 采樣電阻到運(yùn)放電路的走線需要盡量短,從采樣電阻的GND端單獨(dú)拉一條走線連接到運(yùn)放的輸入端;

■ 射頻信號線的阻抗控制在50歐。


 五、結(jié)語   

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、二次開發(fā)簡單。 非常適合應(yīng)用到無人機(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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