无人机舵机控制系统的硬件设计与实现

万方数据

无人机舵机控制系统的硬件设计与实现

作者：杨百平，杨金孝，赵强， Yang Baiping， Yang Jinxiao， Zhao Qiang

作者单位：西北工业大学,电子信息学院,陕西,西安,710129

刊名：

计算机测量与控制

英文刊名：COMPUTER MEASUREMENT & CONTROL

年，卷(期)：2010,18(5)

参考文献(5条)

1.王永虹;徐炜;郝立平ARM Cortex-M3微控匍器原理与实践 2008

2.张志国;林辉;朱江雷基于CPLD的无位置传感器直流伺服系统设计[期刊论文]-计算机测量与控制 2009(03)

3.STMicroelectonics STM32F103XB datasheet 2008

4.林忠万基于DSP的导弹舵机伺服控制系统的研究 2004

5.李赛辉;雷金奎基于DSP的数字舵机控制系统的设计与实现[期刊论文]-计算机测量与控制 2009(03)

本文链接：https://www.360docs.net/doc/66986757.html,/Periodical_jsjzdclykz201005034.aspx

无人机舵机控制系统的硬件设计与实现_杨百平

1076 计算机测量与控制.2010.18(5) Computer Measurement &Control 控制技术收稿日期:2009-09-27; 修回日期:2009-11-09。作者简介:杨百平(1982-),男,陕西人,在读研究生,主要从事电路系统与自动控制方向的研究。杨金孝(1964-),男,陕西人,副教授,主要从事电子电路的研究与设计、控制理论与控制工程方向的研究。文章编号:1671-4598(2010)05-1076-03 中图分类号:T P274 5 文献标识码:A 无人机舵机控制系统的硬件设计与实现杨百平,杨金孝,赵强 (西北工业大学电子信息学院,陕西西安 710129) 摘要:给出了一种基于ST M 32F103VB 微控制器的无人机全数字舵机控制系统硬件实现方案,该方案以STM 32F103VB 作为主控芯片,无刷直流电机作为该系统的伺服电机,采用三闭环的控制策略,实现了脉宽调制(PWM )控制信号的采样和输出,通过采样PW M 信号实现舵机的控制,针对无人机对数据传输实时性的要求,利用CAN 总线与上位机通讯,很好地满足了要求;该系统具有成本低廉、安全可靠且实现容易的特点,实现了舵机控制系统的数字化与小型化;经多次试验,证明是安全实用的。关键词:S TM 32F103VB 微控制器;无人机;伺服;电动舵机 Hardware Design and Implementation for a S ervo System of UAV Rudder Yang Baiping ,Yang Jinxiao,Zhao Qiang (Colleg e of Electr onics and Infor mat ion,No rthw ester n P olytechnical U niver sity,Xi an 710129,China) Abstract:A set of fu lly-digital-signal ser vo system bas ed on S TM 32F103VB for UAV electrom echanical rudder is in tr odu ced in th is paper.It takes S TM 32F103VB as the master control unit and bru shless DC m otor as its drive.T his project uses the digital th ree clos ed-loop control strategy,sampled and gen erated puls e width modulation w ave,through sampling one of th e PW M w aves to realize control tran sfer,in view of U AV to data transmis sion tim elin es s r equest,com municated w ith upper sys tem by CAN bu s.It featu red low cos t,s afe,easy to realize,made it smaller and digital,and w as testified that the sy stem is ap plicable and safety. Key words :S TM 32F103VB M CU;UAV;servo;electr om ech anical rudder 0 引言舵机控制系统是飞行控制计算机和舵机之间的接口,它采集接收机多路PW M 信号,与上位机进行通讯,产生控制舵机的PW M 信号,是舵机系统的核心部分。现有的舵机伺服控制线路大部分还都是模拟的,因其固有的一些缺点而限制了它的使用,相比之下,数字舵机系统具有很多模拟式舵机所没有的优点。本文给出了一种基于ST M 32F103VB 微控制器的无人飞行器舵机伺服控制系统,具有高性能、低功耗、低成本、安全可靠和实现容易的特点,可在线编程并成功应用于实践。 1 系统综述舵机主要是由无刷电机、舵机控制器、舵机机械结构和传感器4部分组成。其中舵机控制器又包括:数据接口部分、中央控制单元、逻辑单元、隔离放大部分与功率驱动模块。一般舵机的工作过程如下:首先由上位机给出一舵偏角指令,舵机控制器接受该指令后与检测得到的实际舵面偏转角送入舵面位置调节单元从而得到参考P WM 占空比A;然后测量实际转速,当速度大于预设值时输出一给定PW M 占空比B;最后检测实际电流,当电流大于电流预设值时,输出另一给定的PWM 占空比C [1]。无刷直流电机中的H A LL 传感器检测转子位置,产生H A ,H B,H C 三相霍尔信号,H A 、HB 、H C 、和ST M 32输出的P WM 波和电机换相信号逻辑综合得到6路电机控制信号驱动电机转动 [2] 。电机输出轴连接精密减速器和各种传感器,减速器输出驱动舵面。系统实现图如图1所示。图1 系统组成结构图 2 舵机控制器的硬件组成舵机控制器的硬件由图2中框线部分组成,该控制器以ST M 32F103V B 为核心。整个系统的硬件设计主要由ST M 32F103V B 工作电路、可编程逻辑电路、隔离及驱动电路、检测信号处理电路、A D 转换电路、数据接口电路及温度检测电路等部分组成。在系统中ST M 32F103V B 通过其自身的CA N 总线控制器与上位机进行数据传输,并使用自身集成的A D 转换器和内置通用定时器实时监测舵机位置、转速和电流等参数。控制器根据内置的控制算法进行位置环、速度环和电流环计算,并产生控制数据,控制数据通过转换算法产生控制量(PW M 信号和DI R 信号),控制量进入逻辑阵列CPL D 与无刷电机位置传感器信号(H A L L 信号)进行逻辑综合后,输出6路电机控制信号。电机控制信号经隔离电路后控制电机功率驱动模块进行功率放大,驱动无刷电机运行。2 1 主控芯片STM32F 103VB [3] ST M 32F103VB 是意法半导体(ST )公司推出的基于A RM 32位CORT EX -M 3CPU ,是目前性能比较突出的微处理器之一,其增强型系列特别适合做电机控制。它的主要特点如下:

无人机喷洒农药控制系统设计

无人机喷洒农药控制系统设计陈爱国（泰州学院，江苏泰州２２５３００）摘　要：农药喷洒采用无人机技术能减少环境污染、提高喷洒效率。现对无人机的控制量进行重点设计，使无人机能够精确跟踪无线指令，满足现代农业对农药喷洒的需求。关键词：多旋翼无人机；农药喷洒；控制系统；设计０　引言我国是农业大国，其农药喷洒主要由人工完成，这种方式已经严重威胁到工作人员的身心健康，且对农药的利用率低。无人驾驶飞机ＵＡＶ（ＵｎｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）是近年来发展比较快、在很多领域都有应用的一种新技术装备，在农业生产中使用多旋翼无人机技术进行农药喷洒作业有独特的优点，比如作业高度低、定点定向喷洒、解放人力、效率高、维修成本低等，特别是旋翼产生的涡流，可以使农药喷雾更好地附着在农作物上，提高农药防治病虫害的效率。１　总体设计无人机结构简单、维修方便，其控制系统一般采用模块化设计，总体结构如图１所示。图１　系统组成框图多旋翼无人机的结构比较复杂，它需控制６个自由度，需要利用精度高的传感器和精确的姿态数据。与无人机通讯采用无线方式，主要控制旋翼电机，控制电机的信号一般采用ＰＷＭ波形即可，输出给电子调速器。２　硬件设计硬件的选择较为关键，在系统设计时需充分考虑微处理器的数据处理精度和浮点运算能力、传感器型号、各类芯片级联电平的匹配等问题。比如微处理器采用ＳＴＭ３２Ｆ４２７ＶＩＴ６，集成加速度和三轴陀螺仪的ＭＰＵ６０００芯片，电子罗盘采用ＨＭＣ５８４３芯片，气压传感器采用ＭＳ５６１１芯片。在无线通讯时，直接采用ＰＰＭ（ＰｕｌｓｅＰｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式对控制系统进行信号的控制，为了更好地控制无人机姿态，还需采用超声波测距模块，用来锁定无人机的高度。硬件系统结构设计如图２所示，无人机运行时，旋翼电机产生的电流较大，且无人机姿势不断变化，其控制电流随之变化，会产生电磁干扰，造成通讯控制信号出错，特别是超声波测距模块与控制芯片不能直接级联，需要进行电平转换，如图３所示。图２　硬件系统结构图图３　电平转换电路为了防止旋翼电机在姿态变化时，反向电压通过电子调速器反馈给微处理器，可能造成电压过大烧毁器件，需要加接隔离电路。同时为了有效控制电机转速，采用高频ＰＷＭ信号控制电机转速，更需要隔离电路，如图４所示。图４　隔离电路３　软件设计软件程序设计，必须满足无人机喷洒各种控制要求，主要包含三大部分：第一，需要考虑无人机与遥控器之间的通讯联系，特别是各种姿态控制量发生变化时，无人机能及时响应，若发生通讯异常，一般采用中断程序来判断，执行中断后，无人机能执行既定程序并报警；第二，输入信号捕获，（下转第１１５页）

硬件电路设计基础知识

硬件电子电路基础

第一章半导体器件 §1-1 半导体基础知识一、什么是半导体半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。（导电能力即电导率）（如：硅Si 锗Ge等＋4价元素以及化合物）

二、半导体的导电特性本征半导体――纯净、晶体结构完整的半导体称为本征半导体。硅和锗的共价键结构。（略） 1、半导体的导电率会在外界因素作用下发生变化 ?掺杂──管子 ?温度──热敏元件 ?光照──光敏元件等 2、半导体中的两种载流子──自由电子和空穴 ?自由电子──受束缚的电子（－） ?空穴──电子跳走以后留下的坑（＋）三、杂质半导体──N型、P型（前讲）掺杂可以显著地改变半导体的导电特性，从而制造出杂质半导体。 ?N型半导体（自由电子多）掺杂为＋5价元素。如：磷；砷P──＋5价使自由电子大大增加原理：Si──＋4价P与Si形成共价键后多余了一个电子。载流子组成： o本征激发的空穴和自由电子──数量少。 o掺杂后由P提供的自由电子──数量多。 o空穴──少子 o自由电子──多子 ?P型半导体（空穴多）掺杂为＋3价元素。如：硼；铝使空穴大大增加原理：Si──＋4价B与Si形成共价键后多余了一个空穴。 B──＋3价载流子组成：

o本征激发的空穴和自由电子──数量少。 o掺杂后由B提供的空穴──数量多。 o空穴──多子 o自由电子──少子结论：N型半导体中的多数载流子为自由电子； P型半导体中的多数载流子为空穴。 §1-2 PN结一、PN结的基本原理 1、什么是PN结将一块P型半导体和一块N型半导体紧密第结合在一起时，交界面两侧的那部分区域。 2、PN结的结构分界面上的情况： P区：空穴多 N区：自由电子多扩散运动：多的往少的那去，并被复合掉。留下了正、负离子。（正、负离子不能移动）留下了一个正、负离子区──耗尽区。由正、负离子区形成了一个内建电场（即势垒高度）。方向：N--> P 大小：与材料和温度有关。（很小，约零点几伏）

舵机控制

舵机控制实验舵机是一种位置伺服的驱动器，主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机或者单片机发出信号给舵机，其内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms 的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。经由电路板上的IC 判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回信号，判断是否已经到达定位。适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。一般舵机旋转的角度范围是0 度到180 度。舵机有很多规格，但所有的舵机都有外接三根线，分别用棕、红、橙三种颜色进行区分，由于舵机品牌不同，颜色也会有所差异，棕色为接地线，红色为电源正极线，橙色为信号线。

舵机的转动的角度是通过调节PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比来实现的，标准PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为20ms （50Hz），理论上脉宽分布应在1ms到2ms 之间，但是，事实上脉宽可由0.5ms 到2.5ms 之间，脉宽和舵机的转角0°～180°相对应。有一点值得注意的地方，由于舵机牌子不同，对于同一信号，不同牌子的舵机旋转的角度也会有所不同。了解了基础知识以后我们就可以来学习控制一个舵机了，本实验所需要的元器件很少只需要舵机一个、跳线一扎就可以了。 RB—412 舵机*1 面包板跳线*1 扎用Arduino 控制舵机的方法有两种，一种是通过Arduino 的普通数字传感器接口产生占空比不同的方波，模拟产生PWM 信号进行舵机定位，第二种是直接利用Arduino 自带的Servo 函数进行舵机的控制，

无人机飞行路线控制系统设计

无人机飞行路线控制系统设计由于无人机是通过无线遥控的方式完成自动飞行和执行各种任务,具有安全零伤亡、低能耗、重复利用率高、控制方便等优点,因此得到了各个国家、各行各业的高度重视和广泛应用。尤其以美国为代表,无论是在军事、民用、环境保护还是科学研究中,都将无人机的使用发挥到淋漓尽致,其拥有全球最先进的“捕食者”和“全球鹰”战斗无人机、监测鸟类的“大乌鸦”无人机、民用用途的“伊哈纳”无人机等等。我国在无人机研制方面也取得了一定的成就,拥有技术卓越的“翔龙”和“暗箭”高空高速无人侦查机、多用途的“黔中”无人机、探测海洋的“天骄”无人机、中继通讯的“蜜蜂”无人机等等。在未来,随着现代化工业技术、信息技术、自动化技术、航天技术等高新技术的迅速发展,无人机技术将日趋成熟,性能日益完善,为此将拥有更为广阔的应用前景。为确保无人机能够有效地完成各种飞行任务,研发者开发了各种技术方式的飞行控制系统,完成对无人机的起飞、飞行控制、着陆以及相应目标任务等操作的控制。飞行路线控制是飞行控制系统中最基础也是最核心的功能控制部分,其它所有的飞行任务控制都是飞行路线控制的基础之上实现。目前对于无人机飞行路线的控制已有各种各样方式的系统,但大多数系统都存在一定缺陷,如有些系统操作过于繁杂,不够智能化;有些系统只能在视距范围遥控无人机,严重限制了无人机的使用;有些系统过于专用化,不能适用于大多数类型的无人机;有些比较完善的系统,造价又过于昂贵,等等一系列问题。针对以上存在的这些问题,本课题提出了一种成本低、

遥控距离远、智能化、高效化、适用性广的无人机飞行路线控制系统设计方案。该系统方案包括两大部分,一部分是操作人员所处的地面监控系统,一部分是无人机端的受控系统,实现的机制主要是无人机不断地将自身的定位信息实时地传送给地面控制系统,地面控制系统将无人机位置信息通过电子地图可视化显示给操作人员,操作人员结合本次飞行任务,采用灵活的鼠标绘制方式在地图上绘制预定的飞行路线,地面控制系统对绘制路线进行自动处理生成可用的路线控制信息帧并发送给无人机受控系统,无人机受控系统接收到位置控制信息帧,不断结合实时的方位信息得到飞行控制信息,从而遥控无人机按照预定路线飞行。此外,为方便用户以后对历史数据的查看,以分析总结得到一些有价值的信息,地面监控系统还包含了对预定路线和无人机历史飞行路线的存储、查询和在地图中回放功能。基于GIS技术的地面监控系统的具体实现是在Windows操作系统上,采用Visual Basic作为系统开发环境并结合MSComm串口通信技术、Mapx二次开发组件技术、Winsock网络接口技术以及Access数据库技术完成软件设计,实现与无人机受控系统的无线通信、GIS系统操作和监控、历史数据存储和重现等,其中实验区域的电子地图采用Mapinfo Professional开发软件绘制完成,并创新性地设计并绘制了画面简洁的带高层信息的二点三维矢量地图,而对于绘制路线的优化和提取处理采用了垂距比值法和最小R值法。无人机端使用BDS-2/GPS双卫星系统对无人机实时位置进行高精度的定位,采用双串口单片机进行运算控制处理,实时的飞行控制信息采用了几何空间算法得到,另外采

无人机用电动舵机控制系统设计

2018年第46卷第10期 D 驱动控制rive and control 李红燕等无人机用电动舵机控制系统设计 85 收稿日期:2018-05-08 基金项目:2017年度院级课题资助项目(JATC17010101) 无人机用电动舵机控制系统设计李红燕1,和阳2,蔡鹏1,姜春燕1,徐信1 (1.江苏航空职业技术学院,镇江212134;2.清华大学,北京100084) 摘要:介绍一种无人机用机电一体化电动舵机控制系统三舵机结构采用无刷直流电动机二谐波减速器二联轴器二旋转变压器二摇臂串联的布局,结构紧凑二体积小三控制器以DSP+CPLD 为核心架构,采用PI 控制算法二位置保护和电流保护逻辑,增强了系统的可靠性三驱动器采用智能功率模块实现,简化了电路设计三实验结果表明,该系统满足控制性能要求,具有高功率密度的特点三关键词:电动舵机;无刷直流电动机;DSP+CPLD;控制电路中图分类号:TM359.9 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2018)10-0085-04 Design of Electric Steering Engine Control System Used for Unmanned Aerial Vehicle LI Hong-yan 1,HE Yang 2,CAI Peng 1,JIANG Chun-yan 1,XU Xin 1 (1.Jiangsu Aviation Technical College,Zhenjiang 212134,China; 2.Tsinghua University,Beijing 100084,China) Abstract :A kind of mechatronics electrical actuator control system used by unmanned aerial vehicle (UAV)was in- troduced.The layout of actuator adopted with brushless DC motor,harmonic reducer,shaft coupling,rotary transformer and servo arm in tandem to make the structure compact and small.The controller was based on DSP+CPLD,PI control al-gorithm,position protection and current protection logic were used to enhance the reliability of the system.The driver based on the intelligent power module simplified the circuit design.The experimental results show that the system meets the re-quirements of control performance and has the characteristics of high power density. Key words :electric actuator;brushless DC motor;DSP+CPLD;control circuit 0引言无人机依靠电动舵机来控制左右副翼二方向舵二升降舵和油门的定位,从而维持飞行姿态的稳定三随着无人机的应用越来越广泛,对电动舵机的结构及性能要求也越来越高,因此研究轻量化二性能可靠的电动舵机系统具有重要意义三国外,很多机构为了实现无人机用电动舵机的微型化二高功率密度二高可靠性,开展了大量的试验研究[1-3]三Futaba 公司研制了一系列用于无人机舵面控制的小功率舵机[4]三Parker 宇航开发出具有抗干扰容错,可耐受高温苛刻环境的飞行机电作动器三此外,美国空军二海军和NASA 研制的电动作动器,结构紧凑,在F /A-18B 系列飞机上进行了测试三国内许多高校和研究院对电动舵机的余度控制[5]二容错设计[6]二故障诊断[7-8]等方面进行了深入研究三本文从舵机机械结构分析二硬件结构搭建二控制算法和逻辑设计出发,旨在设计出满足高功率密度二高可靠性要求的电动舵机控制系统三 1 整体设计方案电动舵机系统的机械结构主要包括电机二减速器二联轴器二位置传感器以及摇臂三电机选用盘式无刷直流电动机,体积小二质量轻;减速器采用谐波减速器,可提高系统的功率密度二传动精度以及扭转刚度;位置传感器采用旋转变压器(以下简称旋变),配合旋变解调芯片完成舵机当前摇臂位置信号的测量与传递,可应对无人操作及复杂的工作环境三电动舵机机械结构如图1所示,其体积尺寸为110mm?33mm?50mm,舵机与控制器集成于一体的布局,有效地利用了空间,提高了系统的集成度三图1 舵机机械结构图设计中,要实现电动舵机的额定扭矩为2.6N四m,最大扭矩5.8N四m;行程范围0~30?三阶跃响应时间短,无超调和振荡三动态响应速度快,输入? 3?,5Hz 的正弦信号时幅值衰减小于3dB,相位滞万方数据

硬件电路设计流程系列--方案设计

平台的选择很多时候和系统选择的算法是相关的，所以如果要提高架构，平台的设计能力，得不断提高自身的算法设计，复杂度评估能力，带宽分析能力。常用的主处理器芯片有：单片机，ASIC，RISC(DEC Alpha、ARC、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC和SuperH )，DSP和FPGA等，这些处理器的比较在网上有很多的文章，在这里不老生常谈了，这里只提1个典型的主处理器选型案例。比如市场上现在有很多高清网络摄像机（HD-IPNC）的设计需求，而IPNC的解决方案也层出不穷，TI的解决方案有DM355、DM365、DM368等，海思提供的方案则有Hi3512、Hi3515、Hi3520等，NXP提供的方案有PNX1700、PNX1005等。对于HD-IPNC的主处理芯片，有几个主要的技术指标：视频分辨率，视频编码器算法，最高支持的图像抓拍分辨率，CMOS的图像预处理能力，以及网络协议栈的开发平台。 Hi3512单芯片实现720P30 编解码能力，满足高清IP Camera应用, Hi3515可实现1080P30的编解码能力，持续提升高清IP Camera的性能。 DM355单芯片实现720P30 MPEG4编解码能力，DM365单芯片实现720P30 编解码能力, DM368单芯片实现1080P30 编解码能力。 DM355是2007 Q3推出的，DM365是2009 Q1推出的，DM368是2010 Q2推出的。海思的同档次解决方案也基本上与之同时出现。海思和TI的解决方案都是基于linux，对于网络协议栈的开发而言，开源社区的资源是没有区别的，区别的只在于芯片供应商提供的SDK开发包，两家公司的SDK离产品都有一定的距离，但是linux的网络开发并不是一个技术难点，所以并不影响产品的推广。作为IPNC的解决方案，在720P时代，海思的解决方案相对于TI的解决方案，其优势是支持了编解码算法，而TI只支持了MPEG4的编解码算法。虽然在2008年初，MPEG4的劣势在市场上已经开始体现出来，但在当时这似乎并不影响DM355的推广。对于最高支持的图像抓拍分辨率，海思的解决方案可以支持支持JPEG抓拍3M Pixels@5fps，DM355最高可以支持5M Pixels，虽然当时没有成功的开发成5M Pixel的抓拍（内存分配得有点儿问题，后来就不折腾了），但是至少4M Pixel 的抓拍是实现了的，而且有几个朋友已经实现了2560x1920这个接近5M Pixel 的抓拍，所以在这一点上DM355稍微胜出。因为在高清分辨率下，CCD传感器非常昂贵，而CMOS传感器像原尺寸又做不大，导致本身在低照度下就性能欠佳的CMOS传感器的成像质量在高分辨率时变差，

基于Arduino的舵机控制系统设计_蔡睿妍

Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑：梁书第8卷第15期(2012年5月)基于Arduino 的舵机控制系统设计蔡睿妍（大连大学信息工程学院，辽宁大连116622）摘要：舵机是传统的角度控制驱动器，在机器人等领域得到了广泛应用。传统的舵机主要采用单片机系统驱动控制，但单片机系统对多个舵机同时进行驱动效果并不理想，因此，采用了流行的开源Arduino 控制板，通过输出不同脉宽的信号进行舵机转动角度控制，实验证明，该系统实现了舵机角度控制，满足舵机角度控制精度要求，为舵机的驱动提供了新方式。关键词：Arduino ；舵机；脉宽信号；角度控制中图分类号：TM383.4 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2012)15-3719-03Design of Servo Control System Based on Arduino CAI Rui-yan (Information and Engineering College of Dalian University,Dalian 116622,China) Abstract:The servo is the traditional angle control driver and has been widely used in robot and other fields.In general,servo is driven by microcontroller system,but the driving effect of microcontroller system is not satisfactory for multiple servos.So,the Arduino,an open source control board,is used to output different pulse width signal to control the servo rotation angle,experiment showed that,this system realizes the angle control of servo,meets the requirement of angle control precision and provides a new way to drive servo. Key words:Arduino;servo;pulse width signal;angle control 舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前，在高档遥控玩具，如飞机、潜艇模型，遥控机器人中已经得到了普遍应用。传统对舵机的控制主要采用单片机，利用定时器和中断的方式来完成控制，这样的方式控制一个舵机还是相当有效的，但是随着舵机数量的增加，控制起来就没有那么方便了，尤其对机器人等需要多个舵机同时工作的系统中，单片机驱动复杂且精度难以保证。因此，本文采用目前较为流行的开源Arduino 来实现舵机的精确控制。1Arduino 简介 Arduino 是源自意大利的一个教学用开源硬件项目，主要是为希望尝试创建交互式物理对象的实践者、喜欢创造发明的人及艺术家所构建的，它秉承开源硬件思想，程序开发接口免费下载，也可依需求自己修改。Arduino 引脚如图1所示：图1Arduino 控制板其硬件系统是高度模块化的，通过USB 接口与计算机连接，包括14通道数字输入/输出，其中包括6通道PWM 输出、6通道10位 ADC 模拟输入/输出通道，电源电压主要有5V 和3.3V [1]。在核心控制板的外围，有开关量输入输出模块、各种模拟量传感器输入模块、总线类传感器的输入模块，还有网络通信模块，只要在核心控制板上增加网络控制模块，就可以容易地与互联网连接。Arduino 还提供了自己的开发语言[2,3]，支持Windows 、Linux 、MacOS 等主流的操作系统。Arduino 系统是基于单片机开发的，并且大量应用通用和标准的电子元器件，包括硬件和软件在内的整个设计，代码均采用开源方式发布，因此采购的成本较低，在各种电子制作竞赛、收稿日期：2012-04-23 作者简介：蔡睿妍（1979-），黑龙江林甸县人，讲师，硕士，主要从事电子技术、通信与网络方向的研究。 E-mail:kfyj@https://www.360docs.net/doc/66986757.html, https://www.360docs.net/doc/66986757.html, Tel:+86-551-56909635690964 ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术Vol.8,No.15,May 2012.3719

GCS与无人机自动驾驶仪

第四讲：GCS与无人机自动驾驶仪 ★这一讲的内容，基本以YS09自驾的基本内容来展开。 1.GCS的引进光看视频监视器，依然不能直观地了解飞机的实时位置信息。这时候可以引入简单的地面站软件系统，利用便携式电脑而不是小电视来显示遥测数据。有了GCS，就能扩展许多新功能，比如：功能一：更直观地显示飞机的实时位置。即载入电子地图，显示飞机的实时飞行轨迹；功能二：指哪飞哪。即，在地图上选定一个点，让飞机飞往该点并绕之盘旋。实际上是盘旋功能的扩展。此外，还有定点盘旋、到达航点后盘旋、云台锁定目标盘旋等扩展方式。功能三：显示更多有用数据。便携式电脑上能以仪表、数据选项卡（位置可复用）等形式来加强数据显示功能。功能四：航线功能有了GCS后，自驾系统可以进一步扩展出一个航线功能。在地图上选定几个航点，根据映射关系知道这几个航点的经纬度数据，然后给每个点预设一个飞行高度，就能生成一条目标航线。把航线数据上传到自驾上，就能让飞机以更精确的方式来执行航拍任务了。 2．航模与无人机有什么关系？ (1)RC发射机手动控制与GCS自动控制简单来理解，无人机尺寸比航模大，载重比航模多，通信距离比航模远，自动化程度比航模高。其中最重要的区别，就是无人机的高度自动化的工作方式。在航模中，RC发射机是最主要的命令发信源，手动模式是最基本的飞行控制模式，在无人机中，带GCS（Ground Control Station，即地面站软件）的便携式电脑，是最主要的命令发信源，而自动模式才是最基本的飞行控制模式。所谓自动模式，就是，用户在电脑上发出命令，然后通过数据链路（GCS->串口->地面数传电台->机载数传电台->飞行控制器）传到飞机上，由飞机上的飞行控制器分析处理后，再去驱动各执行设备（如舵机）的工作。可以认为，GCS自动控制是RC发射机手动控制的扩展和延伸。还可以做其他的类比：GCS的遥测数据监视，是OSD的扩展和延伸；GCS的通信协议，是PWM规则的扩展和延伸；GCS的参数设置，是舵机通道感度旋钮的扩展和延伸；等。 (2)有三种通过GCS发出控制命令的方法： ①直接点击某个按钮或菜单，如“开伞”功能，GCS就自动按照专用的通信协议产生一条数字命令； ②先以键盘输入、鼠标动作、RC发射机动作等形式向GCS录入一个或一组数据，然后

无人机控制系统核心硬件

2.1 ARM-Cortex M4架构 ARM-Cortex M4 架构：无人机控制系统可以采用基于ARM系统架构的嵌入式处理器来实现，本次重点基于ARM-Cortex M4架构的无人机飞控系统。 ARM是32位嵌入式微处理器的行业领先提供商，到目前为止，已推出各种各样基于通用体系结构的处理器，这些处理器具有高性能和行业领先的功效，而且系统成本也有所降低。基于ARMv7架构以上的Cortex系列主要分为A（应用处理器）、R（实时处理器）、M（微控制器）三大应用系列。其中Cortex-M系列处理器主要是针对微控制器领域开发的，在该领域中，既需进行快速且具有高确定性的中断管理，又需将逻辑门数和功耗控制在最低。Cortex-M处理器是一系列可向上兼容的高能效、易于使用的处理器，这些处理器旨在帮助开发人员满足将来的嵌入式应用的需要。这些需要包括以更低的成本提供更多功能、不断增加连接、改善代码重用和提高能效 ARM-Cortex 的特点：更低的功耗：以更低的 MHz 或更短的活动时段运行，基于架构的睡眠模式支持，比 8/16 位设备的工作方式更智能、睡眠时间更长更小的代码（更低的硅成本）：高密度指令集，比 8/16 位设备每字节完成更多操作，更小的 RAM、ROM 或闪存要求易于使用：多个供应商之间的全球标准，代码兼容性，统一的工具和操作系统支持更有竞争力的产品：Powerful Cortex-M processor，每MHz 提供更高的

?Cortex-M4是一个32位处理器内核 ?内部的数据路径是32位的，寄存器是32位的，存储器接口也是32 位的 ?采用哈佛架构 ?小端模式和大端模式都是支持的 ?Thumb指令集与32位性能相结合的高密度代码 ?针对成本敏感的设备Cortex-M4处理器实现紧耦合的系统组件，降低处理器的面积，减少开发成本 ?ROM系统更新的代码重载的能力 ?该处理器可提供卓越的电源效率 ?饱和算法进行信号处理 ?硬件除法和快速数字信号处理为导向的乘法累加 ?集成超低功耗的睡眠模式和一个可选的深度睡眠模式 ?快速执行代码会使用较慢的处理器时钟，或者增加睡眠模式的时间?为平台的安全性和稳固性，集成了MPU（存储器保护单元） ?Cortex-M4内部还附赠了好多调试组件，用于在硬件水平上支持调试操作，如指令断点，数据观察点等 ?有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问并行不悖 2.1.3 基于ARM Cortex-M4 内核的微控制器 ARM Cortex-M4内核是微控制器的中央处理单元（CPU），配合外围设备模块和组件，形成完整的基于Cortex-M4的微控制器。在芯片制造商得到Cortex-M4处理器内核的使用授权后，它们可以将Cortex-M4内核用在自己的硅片设计中，添加存储器，外设，I/O以及其它功能块。不同厂家设计出的单片机会有不同的配置，包括存储器容量、类型、外设等都各具特色。由于基于统一的内核架构，事实上本书后面所介绍的飞控软件和算法虽然已ST的 STM32F407为基础，它们是很容易移植到其他公司的同内核平台芯片上的，很多与外设无关的代码部分不需要任何改变即可移到其他平台上，仅需要关注外围设备相关部分的驱动代码。 ?飞思卡尔（现并入恩智浦）基于ARM Cortex M4内核的Kinetis K60微控制器系列。Kinetis微控制器组合产品由多个基于ARM@CortexTM_M4内核且引脚、外设和软件均兼容的微控制器系列产品组成。 ?ST基于ARM Cortex-M4内核的STM32 F4微控制器系列，具有高达 168MHz的主频，以及在此主频工作下的基准测试功耗为38.6mA

硬件电路板设计规范

硬件电路板设计规范(总36 页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1 -CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除

0目录 0目录............................................... 错误!未定义书签。

1概述............................................... 错误!未定义书签。适用范围............................................ 错误!未定义书签。参考标准或资料 ...................................... 错误!未定义书签。目的................................................ 错误!未定义书签。2PCB设计任务的受理和计划............................ 错误!未定义书签。 PCB设计任务的受理................................... 错误!未定义书签。理解设计要求并制定设计计划 .......................... 错误!未定义书签。3规范内容........................................... 错误!未定义书签。基本术语定义........................................ 错误!未定义书签。 PCB板材要求: ....................................... 错误!未定义书签。元件库制作要求 ...................................... 错误!未定义书签。原理图元件库管理规范：......................... 错误!未定义书签。 PCB封装库管理规范............................. 错误!未定义书签。原理图绘制规范 ...................................... 错误!未定义书签。 PCB设计前的准备..................................... 错误!未定义书签。创建网络表..................................... 错误!未定义书签。创建PCB板..................................... 错误!未定义书签。布局规范............................................ 错误!未定义书签。布局操作的基本原则............................. 错误!未定义书签。热设计要求..................................... 错误!未定义书签。基本布局具体要求............................... 错误!未定义书签。布线要求............................................ 错误!未定义书签。布线基本要求................................... 错误!未定义书签。安规要求....................................... 错误!未定义书签。丝印要求............................................ 错误!未定义书签。可测试性要求........................................ 错误!未定义书签。 PCB成板要求......................................... 错误!未定义书签。

舵机工作原理要点

舵机工作原理标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图2所示。以日本FUTABA-S3003型舵机为例，图1是FUFABA-S3003型舵机的内部电路。

3003舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA6688的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由BA6688的3脚输出。该输出送入电机驱动集成电路BAL6686，以驱动电机正反转。当电机转动时，通过级联减速齿轮带动电位器Rw1旋转，直到电压差为O，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化，改变舵机的位置。

有个很有趣的技术话题可以稍微提一下，就是BA6688是有EMF控制的，主要用途是控制在高速时候电机最大转速。原理是这样的: 收到1个脉冲以后，BA6688内部也产生1个以5K电位器实际电压为基准的脉冲，2个脉冲比较以后展宽，输出给驱动使用。当输出足够时候，马达就开始加速，马达就能产生EMF，这个和转速成正比的。因为取的是中心电压，所以正常不能检测到的，但是运行以后就电平发生倾斜，就能检测出来。超过EMF判断电压时候就减小展宽，甚至关闭，让马达减速或者停车。这样的好处是可以避免过冲现象(就是到了定位点还继续走,然后回头,再靠近) 一些国产便宜舵机用的便宜的芯片，就没有EMF控制，马达、齿轮的机械惯性就容易发生过冲现象，产生抖舵电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能

提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用图3来表示。可变脉宽输出试验(舵机控制) 原创：xidongs 整理：armok / 2004-12-05 / https://www.360docs.net/doc/66986757.html,

从航模入门到了解无人机

从航模入门到了解无人机V1.0 https://www.360docs.net/doc/66986757.html, 2012 年2 月 1 第一讲：怎样把飞机飞起来？ 0.这篇文章是用来做什么的？这篇文章是为YS09 无人机（固定翼）自动驾驶仪配备的技术资料，目的是帮助对航模无人机了解不多的用户尽快掌握最基本的行业知识。为了照顾更多的用户，把最低入门标准设定为“对航模无人机一无所知”，但要求用户起码知道“力”和“电压”的概念，大致相当于初中二年级的知识水平。刚好踩到门槛上的用户，只要肯花上一两天的时间，通读几遍全文，即使在光看不练的情况下，也能从最基本的航模知识起步，逐步深入后，开始进入无人机领域，并最后达到无人机专业应用领域从业者的初等以上的理解水平。此外，本文对本行业从业人员、准备进入这个行业的人员和对本行业感兴趣的人员（如航模玩家、无人机行业用户和研究者）来讲，都有一定的参考价值。 1.有哪几种固定翼（航模与无人机）飞机？怎么确定空速针管的安装位置？从舵面布局的角度出发，有三类固定翼飞机：常规布局（无舵面混控，带有升降舵面、左副翼舵面和右副翼舵面，以及方向舵面）、飞翼布局（升降副翼混控，带有两个差动舵面）和V 尾布局（升降方向混控，带有两个差动舵面）。“舵面”和“混控”的概念参见下文。其中，无副翼布局（一是没有舵面混控，也没有副翼舵面；二是无混控且有副翼舵面，但闲置不用）也归类为常规布局。飞翼布局可分为两个子类：飞翼布局带方向舵，飞翼布局不带方向舵。V 尾布局也可分为两个子类：V 尾布局带副翼，V 尾布局不带副翼。从螺旋桨的安装位置出发，还可以分为前拉式和背推式两种飞机类型。上图所示的常规布局机型，螺旋桨装在机头位置，那么它就是前拉式飞机，上图所示的飞翼布局机型，螺旋桨装在机尾位置，那么它就是背推式飞机。螺旋桨带起的涡流，会影响空速（即飞机飞行时相对于空气的速度）测量的精确性，而空速针管（空气从此处进入机体内，并作用于飞行控制处理器上的空速传感器）必须与飞机纵轴垂直，指向前方，所以对前拉式飞机而言，空速针管只能装在机翼上。对背推式飞机，空速针管可以装在机翼上，如下图所示: 2 对背推式飞机，空速针管还可以装在机头，如下图所示: 空速测量的问题，以后再讲，这里暂时略过。还有其他分类，如涵道和非涵道等，与固定翼航拍这个主题关联不大，不再赘述。如需深究，请自行查阅相关技术资料。 2.什么是舵面？什么是混控？舵面有哪些使用规则？行业习惯：以机头方向为准（即机头为前）来区分前后左右。对常规布局机型，所谓舵面就是机翼后侧和机尾后侧可以自由转动的部分。其中升降舵面是水平尾翼后侧的可以上下转动的部分，方向舵面是垂直尾翼后侧的可以左右转动的部分（垂尾在平尾上方，为上单翼飞机，垂尾在平尾下方，为下单翼飞机）；左副翼舵面就是左机翼后侧的可以上下转动的部分，右副翼舵面就是右机翼后侧的可以上下转动的部分，一般而言，左右副翼舵面遵守“同时等幅反向转动”的使用规则，即：左副翼舵面以某个转动角向上运动，同时右副翼舵面必须以同等大小的转动角向下运动，左副翼舵面以某个转动角向