基于APM2.8飛控器的可測溫?zé)o人機(jī)控制系統(tǒng)

徐霄 劉寅生 李英東 楊帆 張建華

沈陽工學(xué)院

基于APM2.8飛控器的可測溫?zé)o人機(jī)控制系統(tǒng)

徐霄 劉寅生 李英東 楊帆 張建華

沈陽工學(xué)院

本文介紹了基于APM2.8飛控器的可測溫?zé)o人機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)硬件由APM2.8開源飛控、多旋翼專用電調(diào)、三相電機(jī)、DS18B20測溫器件、STC89C52RC單片機(jī)等組成，實現(xiàn)了無人機(jī)的正常飛行和測溫功能。

APM2.8開源飛控 電子調(diào)速器 無線通信

1 飛控的原理及調(diào)試

在APM飛控系統(tǒng)中，采用的是兩級PID控制方式，第一級是導(dǎo)航級，第二級是控制級。導(dǎo)航級PID控制就是要解決飛機(jī)如何以預(yù)定空速飛行在預(yù)定高度的問題，以及如何轉(zhuǎn)彎飛往目標(biāo)問題?？刂萍壍娜蝿?wù)就是依據(jù)需要的俯仰角、油門、橫滾角，結(jié)合飛機(jī)當(dāng)前的姿態(tài)解算出合適的舵機(jī)控制量，使飛機(jī)保持預(yù)定的俯仰角，橫滾角和方向角。

首先需要在移動設(shè)備上安裝MP地面站，通過數(shù)據(jù)線或者無線數(shù)傳與飛控進(jìn)行鏈接。接下來要做的就是給它刷入自己需要的固件。當(dāng)一個全新的固件下載進(jìn)APM板以后，需要做的三件事：一是遙控輸入校準(zhǔn)，二是加速度校準(zhǔn)，三是羅盤校準(zhǔn)，缺一不可。完成這三個校準(zhǔn)，在解鎖后，電機(jī)就會以怠速運(yùn)行。此時，飛控已經(jīng)具備了基本的飛行能力。

但在實際飛行當(dāng)中，APM的功能切換是通過切換飛行模式實現(xiàn)的，APM有多種飛行模式可供選擇，但一般一次只能設(shè)置六種，加上CH7、CH8的輔助，最多也就八種。為此，需要遙控器其中一個通道支持可切換六段PWM值輸出。一般以第五通道作為模式切換控制通道，當(dāng)?shù)谖逋ǖ垒斎氲腜WM值分別在0-1230，1231-1360，1361-1490，1491-1620，1621-1749，1750+這六個區(qū)間時，每個區(qū)間的值就可以開起一個對應(yīng)的飛行模式，推薦的六個PWM值是1165，1295，1425，1555，1685，1815nS。使用的遙控器是樂迪AT9遙控器，AT9具備這個功能，就可以繼續(xù)配置APM飛行模式了。配置飛行模式前同樣需要連接MP與APM，點擊配置調(diào)試菜單，選擇Flight Modes，就會彈出飛行模式配置界面。配置界面中，六個飛行模式對應(yīng)的PWM值，是否開啟簡單模式，super simile模式都一目了然，模式的選擇只需要在下拉框中選擇即可。出于安全考慮，將0-1230設(shè)置為返航模式，其它5個根據(jù)自己遙控習(xí)慣自行配置，但有一個原則，要保證模式切換開關(guān)隨時能切換到自穩(wěn)模式上。

2 電調(diào)與電機(jī)部分

2.1 電調(diào)的工作原理

電調(diào)的全稱叫電子調(diào)速器。一般傳統(tǒng)的無人機(jī)電機(jī)都采用無刷交流電機(jī)，因為這種電機(jī)都采用三相六狀態(tài)120°導(dǎo)通方式，所以在工作狀態(tài)必須確定每個周期中的六個關(guān)鍵轉(zhuǎn)子位置信號。本項目使用的電調(diào)為好盈樂天20A多旋翼專用電調(diào)。

本系統(tǒng)采用三相電動機(jī)，所以選用的電調(diào)有三個輸出端。輸入端總共3個，信號輸入端，電源端，地端。飛控共分模擬數(shù)據(jù)段與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)端，公地連接。信號輸入端與飛控信號輸出端連接，接收的信號為高低電平直流脈沖信號，通過區(qū)分高低電平占空比來控制調(diào)節(jié)輸出量。信號控制端所接收到的信號為一個固定周期的脈沖信號，一個周期由一個1和一個0組成。電調(diào)的輸出為三相交流電，其內(nèi)部工作原理為由直流到三相交流的逆變過程。根據(jù)電機(jī)工作的要求，由于電機(jī)為三相電機(jī)，在運(yùn)行過程中要求恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，所以輸出的三相交流電的幅值在變化的同時，頻率也在做相應(yīng)的調(diào)整。而使這二者變化的控制脈沖即是一個變頻上的難點。電調(diào)的輸入端連接飛控的輸出端，由飛控經(jīng)過多級控制，最終提供高低電平的脈沖控制信號控制逆變。

2.2 電機(jī)的調(diào)速方式

雖然電機(jī)的調(diào)速方式為近似的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，但是在整個過程中并不是完全理想化的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，調(diào)速過程中，頻率f的變化不如電動勢E的變化大，而其中損失的一部分電動勢將轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即高轉(zhuǎn)速下比低轉(zhuǎn)速下有更多的能量裝化為內(nèi)能（相差非常小，高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速只有在持續(xù)較長的時間后才會顯示出溫度的差異）。

3 溫度收發(fā)模塊

發(fā)射部分溫敏器件采用DS18B20。DS18B20采用三線制接法，單片機(jī)選用STC89C52RC單片機(jī)，無線電通信天線采用nRF24L01。除發(fā)射部分，另設(shè)置數(shù)據(jù)接收端，同樣采用STC89C52RC單片機(jī)與nRF24L01。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置，幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。

4 總結(jié)

本文介紹了基于APM2.8飛控控制的可測溫?zé)o人機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成，本項目使用的是APM2.8開源飛控、好盈樂天20A多旋翼專用電調(diào)、三相電機(jī)、溫敏器件采用DS18B20，單片機(jī)選用STC89C52RC單片機(jī)，實現(xiàn)無人機(jī)的正常飛行和測溫功能。

[1]APM入門使用手冊

[2]董宇欣.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2014

劉寅生，自動化專業(yè)教師，大創(chuàng)團(tuán)隊指導(dǎo)教師。

徐霄、李英東、張建華，自動化專業(yè)2014級學(xué)生；楊帆，電氣工程及其自動化專業(yè)2014級學(xué)生，都是大創(chuàng)團(tuán)隊成員。