基于FET1052-C的四軸飛行器的方案
一、背景
多旋翼無人機是一種能夠垂起降的無人直升機，其發(fā)展歷史最早可以追溯到1907年，當時Breguet兄弟Louis和Jacque在法國科學家CharlesRichet的指導下，設計制造了世界上第一架有人駕駛的多旋翼飛機------“旋翼一號”。
多旋翼無人機可分為四旋翼、六旋翼、八旋翼等類型，還有一些特殊造型的多旋翼無人機，其最大的特點就是具有多對旋翼，并且每對旋翼的轉(zhuǎn)向相反，用來抵消彼此反扭力矩。
? 多旋翼無人機相較于其他無人機具有得天獨厚的優(yōu)勢
■ 與固定翼飛機相比，它具有 可以垂直起降、定點盤旋的優(yōu)點；
■ 與單旋翼直升機相比，它采用無刷電機作為動力，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。
多旋翼無人機的諸多優(yōu)點，使它在以下領(lǐng)域獲得了廣泛的應用：
? 教育科研領(lǐng)域應用
多旋翼無人機的研究涉及到自動控制技術(shù)、MEMS傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、導航技術(shù)等，是多科學領(lǐng)域融合研究的一個理想平臺；
? 航拍領(lǐng)域應用
利用多旋翼無人機搭載相機設備（可見光相機/紅外相機），并配備圖像傳輸系統(tǒng)，廣泛應用于影視航拍；
除了上述場景，多旋翼無人機還可以應用與警用領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、交通領(lǐng)域、環(huán)保領(lǐng)域、救生醫(yī)療領(lǐng)域、電力行業(yè)、林業(yè)消防等領(lǐng)域。
二、概述
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)、完成通訊任務等。另外還需要四顆專用的MCU，用來驅(qū)動BLDC，一般講四顆專用的MCU除去控制電機外，還會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，它將應用處理器的高性能和高集成度與微控制器的易用性和實時功能相結(jié)合。i.MX RT1052是Arm?Cortex?-M7架構(gòu)，主頻高達600MHz，同時具有4組PWM模塊、適合多電機模擬信號采樣的ADC_ETC模塊，及豐富靈活的通訊接口，所以搞定飛控+4個BLDC電機控制自然不在話下。
飛凌的FET1052-C核心板已經(jīng)將電源、復位監(jiān)控電路、存儲電路集成與一個小巧的模塊上，外部所需的電路非常簡潔，構(gòu)成一個最小系統(tǒng)只需要5V電源、復位按鍵、啟動配置即可，如下圖所示：
核心板將處理器功能管腳全部引出，可配置出124個GPIO。源生支持LCD、Camera、USB、UART、CAN、Ethernet、PWM等功能接口。
可靈活配置RAM和Flash，目前支持以下兩種配置：
三、硬件結(jié)構(gòu)
三、硬件結(jié)構(gòu)
圖一 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)動板搭載250軸距的全碳纖維機架和2212電機。強勁動力，搭載5.8G圖傳模塊，既可以航拍也可以飛穿越。
四、硬件原理圖
四、硬件原理圖
1、鋰電池充電電路
使用HY2213_BB3A芯片，通過單獨控制單節(jié)鋰電池的充電電壓來實現(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，用來實時監(jiān)控電池電量，防止電池過放。當電量不足時報警，提示需要返航，或者自動返航。
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，防止閂鎖效應的發(fā)生。
3、BOOT配置
通過撥碼開關(guān)來選擇啟動方式。
4、電機驅(qū)動電路
三相橋MOS管驅(qū)動電路：FET1052-C核心板輸出PWM到柵極驅(qū)動單元（GDU:Gate Driver Unit），GDU分為高邊柵極驅(qū)動和低邊柵極驅(qū)動（HS/LS Gate Driver），分別為高低邊的MOS管提供柵極驅(qū)動電壓，高邊驅(qū)動內(nèi)部還包含自舉電容升壓電路；
采樣電阻：每一相驅(qū)動回路串聯(lián)一個采樣電阻，將流經(jīng)電機的電流變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化；
運放電路：對采樣電阻上的電壓變化進行放大，給到MCU的ADC模塊進行采集，軟件還原出電流的變化，從而實現(xiàn)了對電機相電流的實時檢測。
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。
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。通過信號增強電路，使得傳輸距離相對較遠，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。
五、PCB設計
五、PCB設計
1、布局
電機轉(zhuǎn)動時需要較大的電流，而MCU的控制、通訊信號為小電流信號。電機的換相會導致GND平面的電勢變化，GND的電勢變化可能會影響到信號的質(zhì)量，嚴重的會導致MCU的異常復位，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，將電機的驅(qū)動電路放在右側(cè)，左側(cè)為小信號電路。2.4G和5.8G無線模塊電路單獨使用一個PCB，通過排線與主板相連接。
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，兩個網(wǎng)絡在電源輸入端進行單點連接。
3、信號走線
采樣電阻到運放電路的走線需要盡量短，從采樣電阻的GND端單獨拉一條走線連接到運放的輸入端；
射頻信號線的阻抗控制在50歐。
六、結(jié)束語
六、結(jié)束語
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計相關(guān)內(nèi)容，包含基本的原理圖電路設計和PCB布局的注意事項。
飛凌FET1052-C核心板功能強大、接口資源豐富、二次開發(fā)簡單。非常適合應用到無人機、運動控制和機器人、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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