四旋翼无人机设计与制作

图 3.3 MPU6050电路图

HMC5883传感器是三轴数字罗盘，它可以用来测量四轴飞行器所处位置的三轴磁场信息，该传感器内置了三轴磁阻模块和放大采样电路，直接输出数字信号，用来测量航向角并进行姿态解算，HMC5883电路图如图3.4所示。HMC5883的特点如下： 1. IIC 数字量输出总线接口，设计使用简单，尺寸非常小。 2.有较高的测量精度，内置12位 A/D转换。

图 3.4 HMC5883电路图

4. 拥有自动校准功能，简化了应用的步骤。

5. 内置有自测试电路，量产测试非常方便，不需要增加额外的高昂测试设备[14]。 6. 功耗较低，供电电压只需要1.8V，睡眠模式功耗-2.5uA，测量模式功耗-0.6mA。

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3.3 电源系统设计

为了满足飞行控制系统的需要，电源系统为飞行控制器和功能模块提供了12V、5V和3.3V电压，电路设计如图3.5所示。选择12V的锂电池作为供电电源，通过稳压芯片将12V电压降为5V，为GPS模块、超声波传感器、接收机等提供供电电源；然后通过AMS1117_3.3稳压芯片再把5V电压降为3.3V，为飞行控制主板、姿态测量传感器和无线通信模块提供电能。

图 3.5 电源系统电路图

3.4 其它硬件模块

3.4.1 无线通信模块

该模块为上位机和控制器建立了联系。通过两块NRF24L01进行数据的传输，控制器将姿态和高度等信息传输至地面站，地面站将位置信息和导航信息告诉控制器，从而达到可控的要求。NRF24L01的工作频段为2.4 ~ 2.5GHz，而且具备自动重发功能，有6个数据传输通道，最大传输速率高达2Mbits[15]。STM32主控板可以通过SPI接口对NRF24L01的寄存器进行配置，无线通信模块的电路设计图，如图3.6所示。

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图 3.6 NRF24L01电路图

3.4.2 电机和电机驱动模块

我们常用的直流电机按结构及工作原理可以划分为无刷电机和有刷电机。无刷电机是航模电机的主流选择，因为它力量大而且耐用。小型的四旋翼飞行器一般选用空心杯电机，属于有刷电机一类。由于我们设计的是大型四旋翼飞行器，故采用的是无刷电机。

无刷电机根据厂商的不同，种类也是非常的多，市面上的主要有朗宇、新西达、银燕等品牌。在这些无刷电机中口碑最好的就是朗宇电机，用的人非常的多，因此采用朗宇无刷电机。

四旋翼飞行器所用的无刷电机主要有电机尺寸和电机KV值两个参数。电机尺寸指的是电机转子的直径和高度，电机KV值是指外加1V电压时对应的每分钟空载转速。根据参数设置最后选择采用朗宇A2212、KV1400无刷电机。电机实物图，如图3.9所示。

无刷电机的驱动就是俗称的电子调速器也称电调，如图3.10所示。黑色和红色的是11.1V电源线，红色接电源正极，黑色接电源负极。右边三根线和电机的三根线相连，如果转向反了，只需将其中任意两根线互换就可以。白红黑三根线是和电调相连的，白色为信号线，红色为控制板提供5V供电电源，黑色的线接控制器的GND。

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图 3.9 朗宇无刷电机 图 3.10 电子调速器实物图

3.4.3 机架和螺旋桨的选型

对于机架的选择，差的机架会使姿态传感器读取到的数据噪声较大，加大四旋翼飞行器在飞行过程中的不稳定性，因此选用结构稳定，质量较轻的碳纤机架，这样很大程度上也提高了飞行器的载重。机架实物图如图3.11所示。

螺旋桨是由电机转动带动为四旋翼飞行器提供升力的。螺旋桨分为正反桨，顺时针方向转的电机需要配正桨，逆时针转的电机需要配反桨。桨的选型需要结合所选的电机来配备，从桨的型号我们可以读出桨的直径和角度，例如1047中的前两位10表示桨的直径单位是英寸，后两位代表桨的角度。的螺旋桨，同样转速情况下产生的升力就会越大，也就需要更大的电机驱动，这就需要根据电机的大小去选择桨的型号。在设计时选用1047的桨，桨的实物图如图3.12所示。

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