基于FET1052-C的四轴飞行器的方案

背景:

多旋翼无人机是一种能够垂起降的无人直升机,其发展历史最早可以追溯到1907年,当时Breguet兄弟Louis和Jacque在法国科学家CharlesRichet的指导下,设计制造了世界上第一架有人驾驶的多旋翼飞机------“旋翼一号”。

多旋翼无人机可分为四旋翼、六旋翼、八旋翼等类型,还有一些特殊造型的多旋翼无人机,其最大的特点就是具有多对旋翼,并且每对旋翼的转向相反,用来抵消彼此反扭力矩。


多旋翼无人机相较于其他无人机具有得天独厚的优势:

  与固定翼飞机相比,它具有   可以垂直起降、定点盘旋  的优点;

  与单旋翼直升机相比,它采用无刷电机作为动力,并且没有尾桨装置,因此具有   构简单、安全性高、使用成本低  等优点。

多旋翼无人机的诸多优点,使它在以下领域获得了广泛的应用:

❶ 教育科研领域应用

多旋翼无人机的研究涉及到自动控制技术、MEMS传感器技术、计算机技术、导航技术等,是多科学领域融合研究的一个理想 平台;

❷ 航拍领域应用

利用多旋翼无人机搭载相机设备(可见光相机/红外相机),并配备图像传输系统,广泛应用于影视航拍;

❸ 军事领域应用

多旋翼无人机搭载侦查设备快速飞行到危险区域执行侦查任务,为战斗人员提供战场信息,是单兵作战的理想装备;

除了上述场景,多旋翼无人机还可以应用与警用领域、农业领域、交通领域、环保领域、救生医疗领域、电力行业、林业消防等领域。



 一、概述   

目前比较成熟的方案是一颗MCU作飞控,它需要读取传感器数据、控制飞行姿态、完成通讯任务等。另外还需要四颗专用的MCU,用来驱动BLDC,一般讲四颗专用的MCU除去控制电机外,还会处理一些其他的事情并留有余量。

而这些控制和操作现在仅用一颗i.MX RT就能搞定,i.MX RT1052是业界首款跨界处理器,它将应用处理器的高性能和高集成度与微控制器的易用性和实时功能相结合。i.MX RT1052是Arm®Cortex®-M7架构,主频高达600MHz,同时具有4组PWM模块、适合多电机模拟信号采样的ADC_ETC模块,及丰富灵活的通讯接口,所以搞定飞控+4个BLDC电机控制自然不在话下。

飞凌的FET1052-C核心板已经 将电源、复位监控电路、存储电路集成与一个小巧的模块上 ,外部所需的电路非常简洁,构成一个最小系统只需要5V电源、复位按键、启动配置即 可。

如下图所示:

核心板将处理器功能管脚全部引出,可配置出124个GPIO。源生支持LCD、Camera、USB、UART、CAN、Ethernet、PWM等功能接口。


可灵活配置RAM和Flash,目前支持以下两种配置:

 二、硬件结构   

图一为基于FET1052-C核心板的四轴飞行器的硬件架构。

驱动板搭载250轴距的全碳纤维机架和2212电机。强劲动力,搭载5.8G图传模块,既可以航拍也可以飞穿越。

 三 、硬件结构   

1、锂电池充电电路

使用HY2213_BB3A芯片,通过单独控制单节锂电池的充电电压来实现三节锂电池的均衡充电,并且每一节锂电池的电压均通过ADC采集,发送到CPU,用来实时监控电池电量,防止电池过放。当电量不足时报警,提示需要返航,或者自动返航。

2、系统供电电路

FET1052-C核心板仅需要5V供电即可,但是需要控制上电时序,底板供电需要通过K7_ON_REQ控制。以确保核心板先上电底板后上电,防止闩锁效应的发生。

3、BOOT配置

通过拨码开关来选择启动方式。


4、电机驱动电路

三相桥MOS管驱动电路: FET1052-C核心板输出PWM到栅极驱动单元(GDU:Gate Driver Unit),GDU分为高边栅极驱动和低边栅极驱动(HS/LS Gate Driver),分别为高低边的MOS管提供栅极驱动电压,高边驱动内部还包含自举电容升压电路;

采样电阻: 每一相驱动回路串联一个采样电阻,将流经电机的电流变化转换为电压的变化;

运放电路: 对采样电阻上的电压变化进行放大,给到MCU的ADC模块进行采集,软件还原 出电流的变化,从而实现了对电机相电流的实时检测。

5、传感器电路

传感器使用的是IIC接口的陀螺仪、加速度传感器和气压计。

6、无线模块电路

无线模块选择SPI接口的2.4G无线发送模块。通过信号增强电路,使得传输距离相对较远,信号比较稳定。

7、图传模块电路

图传模块选择5.8G的无线传输模块。图像传输流畅稳定。


 四、PCB设计 


1、布局

电机转动时需要较大的电流,而MCU的控制、通讯信号为小电流信号。电机的换相会导致GND平面的电势变化,GND的电势变化可能会影响到信号的质量,严重的会导致MCU的异常复位,因此需要做大电流电路和小电流电路的分割。

如下图所示为四通道电调的PCB布局示意图,将电机的驱动电路放在右侧,左侧为小信号电路。2.4G和5.8G无线模块电路单独使用一个PCB,通过排线与主板相连接。


2、GND分割

有了上述的PCB布局,地平面就很好分割了。如下图所示分别为大电流和小电流的回流路径,二者在PCB上互不干扰。电源分割为12V和3.3V的电源域,GND分割为大电流地和小信号地,两个网络在电源输入端进行单点连接。

3、信号走线

■ 采样电阻到运放电路的走线需要尽量短,从采样电阻的GND端单独拉一条走线连接到运放的输入端;

■ 射频信号线的阻抗控制在50欧。


 五、结语   

基于飞凌的FET1052-C的四轴飞行器的方案就介绍到这里了,主要和大家分享了FET1052-C的性能参数和四轴飞行器方案的硬件设计相关内容,包含基本的原理图电路设计和PCB布局的注意事项。

飞凌FET1052-C核心板功能强大、接口资源丰富、二次开发简单。 非常适合应用到无人机、运动控制和机器人、室内空调系统、家电系统控制等领域。 希望大家可以多多关注。


Related products/h3>