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一颗MCU可以搞定无人机的电机驱动+飞控算法

2019-07-22 作者:旺材电机与电控
导语:玩无人机的小伙伴们都知道,四旋翼无人机的BLDC电调电机,通常需要单独的MCU进行控制,如果用更加节能的FOC控制方式,那么对MCU的性能要求就比较高。一般讲,这颗MCU除去控制电机外,还

玩无人机的小伙伴们都知道,四旋翼无人机的BLDC电调电机,通常需要单独的MCU进行控制,如果用更加节能的FOC控制方式,那么对MCU的性能要求就比较高。一般讲,这颗MCU除去控制电机外,还会处理一些其它事情并留有余量,所以生产无人机的厂商,大都喜欢用Cortex-M4的MCU来做FOC控制(NXP的高主频+硬件除法器的M0+也完全可以胜任),也就是四旋翼无人机需要四颗较高性能的MCU,来分别控制四个电机。

除此之外,还需要一个至少是Cortex-M4级别的MCU做飞控,它需要读取传感器数据、控制飞行姿态、完成通讯等任务。

所有这些控制和操作,现在用一颗i.MX RT就都可以搞定了。i.MX RT性能强悍,以Cortex-M7为内核,主频高达600MHz,片内512KB RAM,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。

我们接触到很多使用i.MX RT做无人机的实例,下面为各位展示两个优秀的方案。

 

基于i.MX RT1052的飞行学习板

这是一个由ZLG技术研发中心设计的,“4个无刷电机FOC驱动 + 飞控算法”的单芯片解决方案,按竞赛级设计,有实力在无人机飞行大赛上争金夺银的!

其中的ZLG-Soar飞控软件库具有如下特点:

  • 采用四元数互补滤波融合算法,和基于角速度环与角度环的串级PID姿态控制算法,在i.MX RT下控制频率可达2KHz(一般飞控频率为0.5KHz)。
  • 支持自动校准功能,支持9轴或6轴IMU(惯量测量传感器)。
  • 支持SBUS航模串口协议,适用于支持该协议的任意无线收发器。
  • 支持常用的IIC/SPI/UART接口,可以扩展不同的传感器。
  • 飞行学习板可以通过蓝牙模块,使用NXP的FreeMaster软件边飞边进行参数的调试。
  • 提供的软件接口,可以让用户快速移植自己的飞控软件,或BetaFlight,ClenFlight,PX4,OpenPiliot,RaceFlight等软件。

下图是i.MX RT飞行学习板的真身!产品级软硬件设计,既可直接用于无人机,也可用于多电机FOC的应用评估,例如稳拍器、机器人、工业缝纫机等等。

 

一颗MCU可以搞定无人机的电机驱动+飞控算法

 

 

下图则是i.MX RT飞行学习板的电路结构:

  • 核心是i.MX RT1052跨界处理器;
  • 外接4路功率模块,用无感FOC算法驱动4个无刷电机;
  • 外扩IMU传感器和气压计,可同时运行飞行控制算法;
  • 同时预留了4个油门脉冲接口,可外接飞行控制器,学习板仅作为“4无刷电机FOC驱动”使用。默认整机7-12V/16A,可根据需求修改。

 

一颗MCU可以搞定无人机的电机驱动+飞控算法

 

 

i.MX RT飞行学习板,提供多种配套软件,包括:ZLG-FOC电机库、简易飞行控制算法、i.MX RT外设基础例程等。用户可快速搭建无人机产品,或其他多电机FOC的产品,例如稳拍器、机器人、工业缝纫机、IoT创新产品等等。

基于i.MX RT1052的开源AutoQuad飞控

这是一位网络牛人(姑且称他为老J)参加RT-Thread应用作品征集赛的一个作品。

AutoQuad是德国的一款老牌开源飞控(硬件闭源),其旨在提供稳定、动态飞行和自动驾驶功能的飞控控制器。

由于AutoQuad硬件闭源的特性,国内的玩家很少,但AutoQuad 的ukf算法“独步天下”,绝对是一绝。15年时老J自己做出了Autoquad的M4版本硬件,并可以运行官方源码。

2017年时他又将Autoquad移植到MDK环境下,并且将其RTOS替换为RT-Thread。后续玩这个玩了蛮久时间。他的体会是这个版本的AutoQuad由于UKF算法占用了很多CPU资源,使得整个系统CPU占用率太高,再者就是片内RAM资源捉襟见肘。

对于这个版本的AutoQuad目前有挺多模友想继续深入的开发,比如网名为“我的世界观”的网友,想将L1自适应控制算法加入到其中,但这个L1自适应算法也是极耗费CPU资源的。在这个背景下,老J开始着手了AutoQuad在i.MX RT1052上的实现,以期留出足够的资源来给模友们做深入开发,同时也借机熟悉下RT-Thread的3.x版本。

硬件板子目前基于野火1052 mini开发板,传感器是从马家买的现成模块,采用飞线的形式固定在开发板上(后期会重新设计一款小的适合飞控的板子)。

 

一颗MCU可以搞定无人机的电机驱动+飞控算法

 

 

主控+传感器

 

一颗MCU可以搞定无人机的电机驱动+飞控算法

 

 

全部的连接都使用飞线

一颗MCU可以搞定无人机的电机驱动+飞控算法

 

 

完成后的效果

 

系统框图如下

一颗MCU可以搞定无人机的电机驱动+飞控算法

 

 

本设计的特点是:

  • 首先,作者对AutoQuad非常熟悉,已经清楚地看到了软件对CPU高性能,与对大容量RAM的要求。刚好i.MX RT可以在这两方面满足他的升级要求。
  • 其次,作者使用了现成的实时操作系统——RT-Thread,及其RT-Thread在i.MX RT上的现成BSP,依托i.MX RT丰富的外设接口和RT-Thread提供的标准设备驱动框架,能够快速地移植整个软件系统到i.MX RT平台上。
  • 第三,整个硬件环境尤其是主控板,采用了现成的野火开发板,省却了研究适配开发i.MX RT1052硬件平台的时间和精力。

 

NXP在i.MX RT105x上的方案

以上两个方案都是充分地利用了i.MX RT1052的高性能、多端口和方便开发的特性,用一颗MCU实现了以前需要4-5颗MCU,甚至更多MCU,才能实现的功能,大大地简化了硬件系统的复杂度,即降低了总体成本又缩小了系统的整体尺寸,同时减小了重量和功耗,进一步提高了无人机的性价比。

目前NXP还没有在i.MX RT上的专用无人机方案,在多电机应用方面,有一个单片i.MX RT同时驱动三个电机的机械臂方案,如下图所示:

一颗MCU可以搞定无人机的电机驱动+飞控算法

 

 

接下来会通过摄像头实时自动地识别物体,再直接驱动机械臂执行动作,所有这些也将会通过i.MX RT实现。

i.MX RT电机控制第三方学习板预告

恩智浦有个MAPS学习评估板系列,是按照原来的TOWER板重新设计的,目前有广受客户欢迎的MAPS-DSC系列,同时支持双电机的伺服或步进。

如果需要评估i.MX RT的电机控制性能,除了官方发布的评估板之外,第三方合作伙伴正在建造中的MAPS-RT是个非常实用的评估板,不但支持伺服或步进电机,还可以支持工业中广泛使用的EtherCAT(与友商合作),值得期待。

 

一颗MCU可以搞定无人机的电机驱动+飞控算法

 

 

一颗MCU可以搞定无人机的电机驱动+飞控算法

来源:旺材电机与电控

 

 

 

整理
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