基于APM2.8飞控器的可测温无人机控制系统

徐霄 刘寅生 李英东 杨帆 张建华

沈阳工学院

基于APM2.8飞控器的可测温无人机控制系统

徐霄 刘寅生 李英东 杨帆 张建华

沈阳工学院

本文介绍了基于APM2.8飞控器的可测温无人机的系统构成，系统硬件由APM2.8开源飞控、多旋翼专用电调、三相电机、DS18B20测温器件、STC89C52RC单片机等组成，实现了无人机的正常飞行和测温功能。

APM2.8开源飞控 电子调速器 无线通信

1 飞控的原理及调试

在APM飞控系统中，采用的是两级PID控制方式，第一级是导航级，第二级是控制级。导航级PID控制就是要解决飞机如何以预定空速飞行在预定高度的问题，以及如何转弯飞往目标问题。控制级的任务就是依据需要的俯仰角、油门、横滚角，结合飞机当前的姿态解算出合适的舵机控制量，使飞机保持预定的俯仰角，横滚角和方向角。

首先需要在移动设备上安装MP地面站，通过数据线或者无线数传与飞控进行链接。接下来要做的就是给它刷入自己需要的固件。当一个全新的固件下载进APM板以后，需要做的三件事：一是遥控输入校准，二是加速度校准，三是罗盘校准，缺一不可。完成这三个校准，在解锁后，电机就会以怠速运行。此时，飞控已经具备了基本的飞行能力。

但在实际飞行当中，APM的功能切换是通过切换飞行模式实现的，APM有多种飞行模式可供选择，但一般一次只能设置六种，加上CH7、CH8的辅助，最多也就八种。为此，需要遥控器其中一个通道支持可切换六段PWM值输出。一般以第五通道作为模式切换控制通道，当第五通道输入的PWM值分别在0-1230，1231-1360，1361-1490，1491-1620，1621-1749，1750+这六个区间时，每个区间的值就可以开起一个对应的飞行模式，推荐的六个PWM值是1165，1295，1425，1555，1685，1815nS。使用的遥控器是乐迪AT9遥控器，AT9具备这个功能，就可以继续配置APM飞行模式了。配置飞行模式前同样需要连接MP与APM，点击配置调试菜单，选择Flight Modes，就会弹出飞行模式配置界面。配置界面中，六个飞行模式对应的PWM值，是否开启简单模式，super simile模式都一目了然，模式的选择只需要在下拉框中选择即可。出于安全考虑，将0-1230设置为返航模式，其它5个根据自己遥控习惯自行配置，但有一个原则，要保证模式切换开关随时能切换到自稳模式上。

2 电调与电机部分

2.1 电调的工作原理

电调的全称叫电子调速器。一般传统的无人机电机都采用无刷交流电机，因为这种电机都采用三相六状态120°导通方式，所以在工作状态必须确定每个周期中的六个关键转子位置信号。本项目使用的电调为好盈乐天20A多旋翼专用电调。

本系统采用三相电动机，所以选用的电调有三个输出端。输入端总共3个，信号输入端，电源端，地端。飞控共分模拟数据段与数字数据端，公地连接。信号输入端与飞控信号输出端连接，接收的信号为高低电平直流脉冲信号，通过区分高低电平占空比来控制调节输出量。信号控制端所接收到的信号为一个固定周期的脉冲信号，一个周期由一个1和一个0组成。电调的输出为三相交流电，其内部工作原理为由直流到三相交流的逆变过程。根据电机工作的要求，由于电机为三相电机，在运行过程中要求恒转矩调速，所以输出的三相交流电的幅值在变化的同时，频率也在做相应的调整。而使这二者变化的控制脉冲即是一个变频上的难点。电调的输入端连接飞控的输出端，由飞控经过多级控制，最终提供高低电平的脉冲控制信号控制逆变。

2.2 电机的调速方式

虽然电机的调速方式为近似的恒转矩调速，但是在整个过程中并不是完全理想化的恒转矩调速，调速过程中，频率f的变化不如电动势E的变化大，而其中损失的一部分电动势将转化为内能，即高转速下比低转速下有更多的能量装化为内能（相差非常小，高转速与低转速只有在持续较长的时间后才会显示出温度的差异）。

3 温度收发模块

发射部分温敏器件采用DS18B20。DS18B20采用三线制接法，单片机选用STC89C52RC单片机，无线电通信天线采用nRF24L01。除发射部分，另设置数据接收端，同样采用STC89C52RC单片机与nRF24L01。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置，几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。

4 总结

本文介绍了基于APM2.8飞控控制的可测温无人机的系统构成，本项目使用的是APM2.8开源飞控、好盈乐天20A多旋翼专用电调、三相电机、温敏器件采用DS18B20，单片机选用STC89C52RC单片机，实现无人机的正常飞行和测温功能。

[1]APM入门使用手册

[2]董宇欣.单片机应用技术.哈尔滨工业大学出版社,2014

刘寅生，自动化专业教师，大创团队指导教师。

徐霄、李英东、张建华，自动化专业2014级学生；杨帆，电气工程及其自动化专业2014级学生，都是大创团队成员。