基于FET1052-C的四軸飛行器的方案
背景：
多旋翼無人機(jī)是一種能夠垂起降的無人直升機(jī)，其發(fā)展歷史最早可以追溯到1907年，當(dāng)時Breguet兄弟Louis和Jacque在法國科學(xué)家CharlesRichet的指導(dǎo)下，設(shè)計制造了世界上第一架有人駕駛的多旋翼飛機(jī)------“旋翼一號”。
多旋翼無人機(jī)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(jī)，其最大的特點(diǎn)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(jī)相較于其他無人機(jī)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢：
■ 與固定翼飛機(jī)相比，它具有 可以垂直起降、定點(diǎn)盤旋 的優(yōu)點(diǎn)；
■ 與單旋翼直升機(jī)相比，它采用無刷電機(jī)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(diǎn)。
多旋翼無人機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，使它在以下領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用：
? 教育科研領(lǐng)域應(yīng)用
多旋翼無人機(jī)的研究涉及到自動控制技術(shù)、MEMS傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)等，是多科學(xué)領(lǐng)域融合研究的一個理想平臺；
? 航拍領(lǐng)域應(yīng)用
利用多旋翼無人機(jī)搭載相機(jī)設(shè)備（可見光相機(jī)/紅外相機(jī)），并配備圖像傳輸系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于影視航拍；
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(wù)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(jī)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(yīng)用處理器的高性能和高集成度與微控制器的易用性和實(shí)時功能相結(jié)合。i.MX RT1052是Arm?Cortex?-M7架構(gòu)，主頻高達(dá)600MHz，同時具有4組PWM模塊、適合多電機(jī)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(jī)控制自然不在話下。
飛凌的FET1052-C核心板已經(jīng)將電源、復(fù)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(fù)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：
二、硬件結(jié)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(jī)架和2212電機(jī)。強(qiáng)勁動力，搭載5.8G圖傳模塊，既可以航拍也可以飛穿越。
1、鋰電池充電電路
使用HY2213_BB3A芯片，通過單獨(dú)控制單節(jié)鋰電池的充電電壓來實(shí)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(shí)時監(jiān)控電池電量，防止電池過放。當(dāng)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(yīng)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(jī)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(jī)的電流變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化；
運(yùn)放電路：對采樣電阻上的電壓變化進(jìn)行放大，給到MCU的ADC模塊進(jìn)行采集，軟件還原出電流的變化，從而實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)相電流的實(shí)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(qiáng)電路，使得傳輸距離相對較遠(yuǎn)，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。
1、布局
電機(jī)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(jī)的換相會導(dǎo)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(yán)重的會導(dǎo)致MCU的異常復(fù)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(jī)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(dú)使用一個PCB，通過排線與主板相連接。
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(luò)在電源輸入端進(jìn)行單點(diǎn)連接。
3、信號走線
■ 采樣電阻到運(yùn)放電路的走線需要盡量短，從采樣電阻的GND端單獨(dú)拉一條走線連接到運(yùn)放的輸入端；
■ 射頻信號線的阻抗控制在50歐。
五、結(jié)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(shè)計相關(guān)內(nèi)容，包含基本的原理圖電路設(shè)計和PCB布局的注意事項(xiàng)。
飛凌FET1052-C核心板功能強(qiáng)大、接口資源豐富、二次開發(fā)簡單。 非常適合應(yīng)用到無人機(jī)、運(yùn)動控制和機(jī)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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