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2.3 整体硬件系统框图
本文设计的四旋翼飞行探测器系统主要由玉兔二代飞控板、电源、电调、无刷直流电机、个人PC、路由器、摄像头、小电筒等部分组成，其中以玉兔二代飞控为核心的主控模块；以个人PC为核心的辅控模块；以RL78为核心的驱动模块；另外还有位置信号检测及综合部分、电流信号采样放大和比较部分以及一些外围功能辅助电路等。控制电路实现无刷直流电机的启动、电子换相等控制并可以对电机进行保护；外围功能电路做到对各种信号的采样处理、对不同电路的供电、保护等。系统整体框图如图6所示。
图6 系统整体框图
本设计通过个人PC一键启动，由路由器1向路由器2发送信号使飞行探测器起飞，通过GPS导航，飞行探测器会走最佳路线，飞往目的地附近（由于近地面飞行，GPS定位不能精确定位具体位置，此时需要由个人PC远程控制），同时由GPS定位，定位飞行探测器的位置信息，并通过路由器2传输给个人PC的显示器显示，飞行探测器飞行时摄像头打开，可以实时将摄像头拍摄的实时画面传输到个人PC的显示器，当需要某个特殊的地方，摄像头会将画面拍摄并存储起来，如果目的地光线较暗，可自动打开玉兔二代飞行控制板上的小电筒，供传输清晰地画面使用。当飞行探测器飞行过程中当遇到特殊情况（如遭遇袭击）会自主避障，同时个人PC会根据相关情况，调整飞行探测器的飞行姿态及其它动作。完成任务后，通过一键返回，快速返回个人PC附近同时飞行探测器的旋桨停止转动。为了使旋桨转速稳定，需要给无刷直流电机供应持久稳定的工作电压，系统选择了11. 1V /2200 mAh可充电式锂电池作为电源，通过电压变换电路（如核心稳压器件LM7805形成5V的稳定电压）形成稳定电压，由电调向无刷直流电机供电。在飞行过程中，采样电路周期开始时，主控制板先根据霍尔传感器获取的转速信息判断飞行探测器的速度大小，若处于速度低于或高于需求值，都将通过反馈电路将信息反馈给玉兔二代飞行控制板，以做出调整，当速度达到一定值后切换到闭环调节状态。常规的电子换相是直接获取霍尔传感器采集得的信号进行换相控制，同时将电机速度反馈信号和手把给定的速度信号相减，得出偏差，经过控制算法得出控制量。再把控制量以PWM的形式输出给驱动电路，由驱动电路调节逆变器的输出电压，就调节了电机的电流大小，从而调节电磁转矩；当电磁转矩和负载转矩平衡时，系统的速度便达到了给定。电机速度控制采用脉宽调制方式，不同的速度对应电机的电压电流也不同。行驶速度与控制器输出PWM波的电压成正比。过热保护、欠压保护和过流保护等保护电路功能的实现，由运算放大器采样放大处理后送至飞行控制板，再由飞行控制板控制是否禁止输出PWM波[5]。
2.4 模块电路的设计
2.4.1 电源电路
电源工作性能的好坏关系到整个控制系统的稳定。虽然蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能，但是蓄电池的体积较大且较重，如若采用蓄电池，飞行器飞行较困难，且重心控制较难，因此本系统采用11. 1V /2200 mAh可充电式锂电池作为电源，经电压变换电路为系统供电。采用锂电池供电后，飞行控制板、传感器和各模块电路工作稳定，且电池的体积较小，重量也较轻，较适用于系统。