硬件设计热门培训内容之微型四轴飞行器

时间:2018-12-06 16:54:31

1 硬件设计
机身的设计有两种选择,其一是使用已经成型的机架,在搭载自己的飞控板来组成,但由于业界对微四轴关注度较小,不容易找到成型的微型机架,于是我选择的方案二,就是使用PCB电路板直接作为飞行器的骨架。好处在于能够使飞行器浑然一体,减少组装,降低成本,并且还能自定义外形。 
硬件电路由8个部分组成,分别是单片机的最小系统、稳压电路、升压电路、电机驱动电路、电源滤波电路、姿态传感器电路、通信模块电路、充电电路.将全部放置在一张10cm*10cm大小的PCB板上,以电流为索引。


1.1充电电路设计
首先从充电电路开始,我选择了是一款已经久经市场考验的充电IC TP4056,他有高达1A的可编程充电电流,并且具备各种状态提示功能,还具有恒压恒流和热调节功能,是一款不错的充电芯片,电路如图。该电路是整个系统的一个辅助电路,能够帮助微四轴飞行器在不拆卸电池的情况下直接充电,提高使用者的体验。芯片中CHRG和STDBY两个引脚分别控制绿灯和红灯的亮灭。当正在充电的时候,CHRG将输出高电平,红灯亮,充满后恢复低电平,同时STDBY引脚将会输出高电平,绿灯亮起。PROG引脚是电流控制引脚,当接上1.2K电阻时,能够使其充电电流达到1A。TEMP是温度反馈引脚,接入地能够在短路情况下迅速反应。 


1.2升压电路设计
升压电路我选择和很多种类,最后选择了ME2108A50这一款芯片,主要原因在于其外围期间少,这对于本身空间小的飞行板来说格外重要,并且这个芯片是经过我长期测试能够确保稳定的。整个电路中并没有一个期间需要5V的电压,但是却还是需要一个升压5V的芯片,主要原因在于辅助稳压芯片使用能够使其通讯芯片和单片机获得更宽的使用电压。电路如图 


1.3稳压电路设计
Mic5219是一款低压差的稳压芯片,具有500mA的峰值电流。实际上是可以直接从4.2V的锂电池电压转化为3.3V的电压供给各个电路的,但当电压低于3.3V时,该芯片就不能工作了,也就在在电机工作的时候,电压会被拉低,这种情况下,低于3.3V的电压是不能使其很多电路正常工作的,于是就需要搭配升压电路。而且稳压电路之所以使用两个重复电路主要原因是防止电机运动下电路过大,单个芯片无法承受,两个稳压芯片分别对不同的电路进行稳压。


1.4 电机驱动电路设计
由于电机是空心杯电机,驱动模式能够直接利用一个简单的放大电路。但是三极管是无法满足的,在四个电机运行的情况下,电流是比较大的,这种情况三极管是不能作为开关电源的,于是我选择了MOS管,它不仅有更低的功耗,还适应高频高速电流和大电流的状况,正好满足作为驱动芯片的条件。使用的是SI2302的N沟MOS管栅极门限电压为2.5V,漏极电压为20v。


1.5 传感器、通信芯片、单片机最小系统电路设计
地磁感器我选择了目前航模普遍使用的HMC5883。他可以输出当地的三轴磁场强度。通信方式均为IIC,这种通信方式要注意把该两条通信线拉高。并且在布线的时候经量不要将电源线与通信线交叠。芯片的电路是按照该芯片的数据手册提供的典型应用电路设计,图是磁力计HMC5883的外围电路图,该传感器具备能在正负8高斯的磁场环境中分辨5毫高斯的能力,这样在用它作为罗盘定位航向的时候就能达1°到2°的精度,并且它最大的输出频率有160Hz,这很满足微型四轴无人机系统对数据更新频率的要求。 

MPU6050上集成了加速度计和陀螺仪,三轴加速度和三轴角速度的 均是一个16位的ADC,能够通过软件进行分辨率的设置来适应各种场景。由于它较高的性价比,选择这款运动传感器芯片是十分符合微型四轴无人机系统的。 

通讯我选择了ESP8266这一款WIFI模块,该模块高度集成了一个32位MCU和板载天线,有着小巧的身形,完整的配置接口和可靠的性能,是一个出色的wifi网络解决方案。

主控芯片我选择了运用TI公司的STM32F103C8T6这款主打高性能的芯片[3],原因有三,其一是它具备强大的运算能力以及庞大的外设功能,十分满足作为飞行控制芯片的职能[4]。其二是对该芯片的知识储备相当充足,经过了两年的使用经验,能够更好的发挥它的性能,并且提升开发速度。其三是其价格便宜,非常适合进行研究和实验且TI对该芯片提供了详细的资料。

2 元器件及其封装设计
旋桨向下的首先姿态传感器需要放在到整个板子的正中间,这样数据才能保证输出的准确性。其次将WIFI芯片放在的飞行尾部,并且由于是高频电路,不能在该模块板子下面走线。电源线和信号线也最好不要有交叉,电源电路和其他电路需要分开,驱动电路靠近电机,且相应的电源线粗与标准值,该版本的电路板我将绝大多数元器件都放置到了正面,为下面放置电池腾出空间。 


容电阻的封装我都选用了0603类型,主要是考虑到需要手工焊接和空间的问题,之后可以替换成更小封装以减轻机体重量。接口通常都选择较小间距的1.25mm端子封装,能明显节省空间。WIFI模块选择了该厂商的贴片型封装,经量减小覆盖面积。器件摆放经量均匀分布在四个区域,保证不会一边过重。在绘制完成器件的PCB封装后,可以去专门的3D封装网站下载对应的3D封装,匹配和可以导入3D设计图,其中部分封装是在实现时经过测试得出的,具体情况会在之后的实现部分讲明。 


3 其它硬件选型
微四轴的电机不同于平台四轴飞行器,我选用了720空心杯电机,原因在于其较小的体积和较高的效率。转速高达45000RPM,电机直径7MM,长20MM,重3g。对于微四轴,该类型电机在转速和重量方面都比较符合要求。由于我将4个电机孔设置在了10*10底板的四个对角上,于是能够配置75MM的桨叶。微四轴无法搭载过重的东西,电池的重力就比较考究,我这里选择的是650mAh的锂电池,放电倍率30c,重18g。