CN102799188A - 一种基于双音多频信号的四旋翼飞行器控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于双音多频信号的四旋翼飞行器控制系统及方法，包括双音多频信号接收模块1、双音多频信号解码模块5、主控模块6、飞行控制模块11、电源模块12和用户控制终端18。控制者拨打双音多频信号接收模块1上安装的SIM卡对应的号码。接通后控制者根据需求选择按触对应的按键，按键对应的双音多频信号发送给双音多频信号接收模块1，最后将其发送给双音多频信号解码模块5进行解码。经过解码产生相应的二进制代码，主控模块6解读取该二进制代码进行解算产生对应的脉位调制信号,飞行控制模块11根据脉位调制信号计算得到电机的电压控制量，从而控制飞行姿态。本发明能够将任意型号的电话与四旋翼飞行器建立连接，适用性强，控制距离显著扩大。

Description

一种基于双音多频信号的四旋翼飞行器控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种四旋翼飞行器控制系统及方法，尤其涉及一种基于双音多频信号的四旋翼飞行器控制系统及方法，属于通信、信号处理与自动控制技术领域。

背景技术

随着科学技术的迅速发展和人民生活水平的不断提高，遥控飞行器极大地方便和丰富了人们的日常生产、生活，越来越受到人们的青睐。其中，四旋翼飞行器是一种具有四个螺旋桨的飞行器，并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的四旋翼具有相同的旋转方向共分两组，两组的旋转方向不同（四个螺旋桨可根据旋转方向分为两组，一正一反）。与传统的直升机不同，四旋翼飞行器只能通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作。

传统的由遥控器控制的四旋翼飞行器，由于其遥控器的有效距离有限，且必须与飞行器配套使用的特点，存在控制距离有限、通用性、普适性差等问题，限制了人们的使用需求。PARROT公司曾于2010年初推出了AR.Drone四旋翼飞行器，它使用iPhone通过WIFI实现无线控制。但是，通过WIFI实现无线控制，不仅需要无线网络的存在，而且对手机功能有较高要求，对应用有所限制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的四旋翼飞行器控制距离有限、普适性差等问题，提出一种基于双音多频信号技术的四旋翼飞行器控制系统及方法，能够实现对四旋翼飞行器的实时、远距离控制，具有较强的普适性。

本发明基于双音多频信号技术实现。所述双音多频信号（Dual-ToneMulti-Frequency，DTMF），是电话系统中电话机与交换机之间的一种用户信令，通常用于发送被叫号码。

双音多频信号由高频群和低频群组成。其中，高、低频群各包含4个频率。一个高频信号和一个低频信号叠加组成一个组合信号，代表一个固定电话按键或移动电话按键（以下简称“电话按键”）。每个电话按键对应的频率信号是通过该按键所在行和列对应的两个频率信号合成而成。因此，只要通过测频的方法测出按键对应的音频，即可确定用户按下了哪个按键。当电话接通且有电话按键按下时，双音多频信号即被发送至位于接收端的双音多频信号接收模块，通过检测该双音多频信号的频率，即可检测出电话被按下的具体按键。电话按键双音多频频率表如表1所示。

表1电话按键双音多频频率表

本发明正是通过利用上述原理来实现对四旋翼飞行器的控制。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于双音多频信号技术的四旋翼飞行器控制系统，包括双音多频信号接收模块、双音多频信号解码模块、主控模块、飞行控制模块、电源模块和用户控制终端。其中，所述双音多频信号接收模块、双音多频信号解码模块、主控模块、飞行控制模块、电源模块均安装在四旋翼飞行器上。所述用户控制终端可以为任意型号的固定电话、移动电话或其他形式的具有双音多频通信功能的设备。

所述双音多频信号接收模块，用于接收经用户控制终端发送过来的双音多频信号，并将其发送给双音多频信号解码模块。双音多频信号接收模块上可安装SIM卡。

所述双音多频信号解码模块，用于对接收到的双音多频信号进行解码，产生相应的二进制代码，并发送给主控模块。具体的，每个二进制代码代表一个按键，共有0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100共12个二进制代码，分别代表“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”、“*”、“0”、“#”这12个按键。

所述主控模块，负责读取按键对应的二进制代码，并产生一组对应的脉位调制（pulse position modulation，PPM）信号。所述脉位调制信号是指一路高低电平随时间变化的信号，其每个周期包含多个通道信号，周期之间用一个宽度在3-8ms之间的低电平分隔，各通道均由一个280us的高电平作为引导，接下来的低电平宽度代表实际有用的信息，宽度范围为1.28-1.76ms。一组脉位调制信号的组成形式如图3所示。当不同的按键被按下时，该脉位调制信号相应通道的低电平宽度将发生变化。在本系统工作过程中，主控模块持续向飞行控制模块发送此脉位调制信号。

所述飞行控制模块，用于根据主控模块发送的脉位调制信号，利用姿态控制算法得到四个电机的电压控制量，进而实现对四旋翼飞行器的飞行姿态的控制。

所述电源模块，负责为双音多频信号接收模块、双音多频信号解码模块、主控模块、飞行控制模块供电。

上述模块之间的连接关系如下：

用户控制终端与双音多频信号接收模块之间通过电讯号实现通信。双音多频信号接收模块的输出端和双音多频信号解码模块的输入端相连，双音多频信号解码模块的输出端与主控模块的输入端相连，主控模块的输出端与飞行控制模块的输入端相连。电源模块同双音多频信号接收模块、双音多频信号解码模块、主控模块、飞行控制模块分别相连。如图4所示。

一种使用上述系统对四旋翼飞行器进行控制的方法，具体过程如下：

首先，控制者通过操作用户控制终端，拨打双音多频信号接收模块上安装的SIM卡对应的号码。当接通后，控制者根据控制需求选择按触用户控制终端上对应的按键，此时，用户控制终端将按键对应的双音多频信号发送给飞行器上的双音多频信号接收模块。

双音多频信号接收模块接收上述双音多频信号，并将其发送给双音多频信号解码模块进行解码。经过解码，双音多频信号解码模块产生一个相应的二进制代码，并将其发送至主控模块。主控模块解读取该二进制代码，通过解算产生一个对应的脉位调制信号,并将此信号发送给飞行控制模块。具体的，对于不同的二进制代码，脉位调制信号相应通道的低电平宽度不同，对应不同的飞行姿态，如起飞、悬停、前进、后退、向左偏航、向右偏航、自旋和降落等。控制原理如图1所示，控制流程图如图2所示。

飞行控制模块根据输入的脉位调制信号，按照飞行姿态控制算法计算得到四旋翼飞行器四个电机的电压控制量，从而控制四旋翼飞行器的飞行姿态。

有益效果

本发明提出的四旋翼飞行器控制系统及方法，通过利用双音多频信号技术，能够实现任意型号的固定电话或移动电话能与四旋翼飞行器建立连接，适用性强，控制距离显著扩大（只要有双音多频信号覆盖的区域都可以实现控制，而不受距离的限制），解决了传统遥控飞行器遥控器控制距离有限、普适性差的问题。与iPhone通过WIFI无线控制的四旋翼飞行器相比，无需有无线网络的存在，对用户控制终端电话型号也没有限制。

附图说明

图1为本发明的系统组成原理图；

图2为本发明所述系统的控制流程图；

图3为脉位调制（PPM）信号示意图；

其中，1-双音多频信号接收模块，2-第一串行接口，3-GSM模块，4-音频接口，5-双音多频信号解码模块，6-主控模块，7-第二串行接口，8-I/O接口，9-微处理器，10-PWM模块，11-飞行控制模块，12-控制器，13-姿态检测传感器，14-电机，15-电源模块，16-电平转换模块，17-电池，18-用户控制终端。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例

一种基于双音多频信号技术的四旋翼飞行器控制系统，如图1所示，包括双音多频信号接收模块1、双音多频信号解码模块5、主控模块6、飞行控制模块11、电源模块15和用户控制终端18。

其中，所述双音多频信号接收模块1包括GSM模块3、音频接口4与第一串行接口2，GSM模块3中安装有SIM卡。其中，所述第一串行接口2用于建立双音多频信号接收模块1和主控模块6之间的通信连接；所述GSM模块3接收经用户控制终端18发送过来的双音多频信号，并通过音频接口4将该双音多频信号发送至双音多频信号解码模块5。

特别的，对于本控制系统而言，所述GSM模块3要求拥有能用于和主控模块6建立连接的AT命令集，其工作频率可以为850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz；所述音频接口4的输出信号幅值不低于500mv；串行接口2要求能够支持全双工异步串行，其波特率为9600。本实施例中，双音多频信号接收模块1可选用UP-TECH GPRS，其GSM模块3为西门子SIM900。

所述双音多频信号解码模块5具体为解码芯片，用于对双音多频信号进行解码，从而得到二进制代码。经多次实验论证，若要达到理想效果，要求所采用的解码芯片必须能够对12种频率组合的双音多频信号输入进行解码，并产生4bit的二进制代码输出。同时，所述外围电路要求具有滤波功能，能够将低于600Hz高于1500Hz的干扰信号滤除。本实施例中，所述解码芯片可选用HOLTEK公司HT9170型双音多频解码芯片。

所述主控模块6包括微处理器9、I/O接口8、第二串行接口7和PWM模块10。其中，经多次试验论证，为能够保证控制系统的数据运算能力，要求微处理器9主频不低于8MHz，字长不低于8位，内存不少于8KB；同时，要求具有通用I/O接口8，最大输入输出电流不低于20mA；第二串行接口7具有异步串行功能；PWM模块10能产生0至2.5ms，周期20msPWM的波形。本实施例中，主控模块6可选择ATMEL公司ATmega16单片机。

所述飞行控制模块11包括控制器12、姿态检测传感器13（如陀螺仪、加速度计等）。其中，经多次试验论证，为能够保证控制系统的数据运算能力，要求控制器12主频不低于16MHz，字长不低于8位，内存不少于64KB，拥有8位以上定时器和6路以上10位模数转换器，具有I2C通信功能；要求陀螺仪具有I2C通信功能，测量角速度范围在±2000rad/s之间，输出数字信号频率不低于400Hz；要求加速度计测量范围不低于8g，分辨率不低于10位，具有I2C通信功能。为满足以上技术要求，本实施例中，控制器12可选择ATMEL公司ATmega644单片机，陀螺仪选择L3G4200D三轴陀螺仪，加速度及选择ADXL345三轴加速度计。

所述电源模块15包括电池16和电平转换模块17，电池16的作用是提供系统总电源并为四旋翼飞行器的电机14供电；电平转换模块17作用是根据系统中各功能模块的工作电平为它们供电。为保证较长的续航时间和较大的供电电压，要求电池16容量不低于2000mAh，本实施例中选择电池16容量2000mAh，电压12V；电平转换模块17需能将电池16电压转换为3.3V--9V的连续可调电压，本实施例中要求将12V输入电压转换并稳定至5V输出电压，输出电压误差控制在±4%以内，振荡频率误差在±15%以内，可选择LM2596开关电压调节器作为电平转换模块17。

所述双音多频信号接收模块1、双音多频信号解码模块5、主控模块6、飞行控制模块11、电源模块15均安装在四旋翼飞行器上。

用户控制终端18为任意型号的固定电话或者移动电话。

用户控制终端18与双音多频信号接收模块1之间通过电讯号实现通信。双音多频信号接收模块1的输出端和双音多频信号解码模块5的输入端相连，双音多频信号解码模块5的输出端与主控模块6的输入端相连，主控模块6的输出端与飞行控制模块11的输入端相连。电源模块15同双音多频信号接收模块1、双音多频信号解码模块5、主控模块6、飞行控制模块11分别相连。

如图2所示，使用上述系统对四旋翼飞行器进行控制的方法如下：

首先，控制者使用用户控制终端18拨打四旋翼飞行器双音多频信号接收模块1上的SIM卡号码。

当双音多频信号接收模块1通过第一串行接口2向控制器13发送来电指令“RING”后，主控模块6回复接通指令“ATA”，从而接通电话，建立用户控制终端18与四旋翼飞行器之间的通信。

当电话接通后，控制者按压用户控制终端18上的按键。双音多频信号接收模块1接收到该按键对应的双音多频信号后将其发送给双音多频信号解码模块5，双音多频信号解码模块5识别出该信号对应的按键信息，产生相应二进制代码，发送至主控模块6。具体的，每个二进制代码代表一个按键，共有0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100共12个二进制代码，分别代表“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”、“*”、“0”、“#”等12个按键。主控模块6通过读取二进制代码，确定当前按键，进而执行对应的操作。本实施例中，定义按键“1”代表降低电机转速，“2”为前进，“3”为增加电机转速，“4”为向左偏航，“5”为悬停，“6”为向右偏航，“7”为正向自旋，“8”为后退，“9”为逆向自旋，“*”为启动，“0”为启动前校准，“#”为停止。

主控模块6将按键信息转换为一组脉位调制信号，其每个周期包含4个通道信号，在主控模块6内部，各通道的低电平宽度大小都是以数值存放的，主控模块6的PWM模块10按照该数值大小产生不同宽度的脉冲。每按压一次按键，相应通道的数值大小就被改变，变化程度大小可通过程序设定。例如按一次“3”键，控制器12将电机14转速数值增加5%，按一次“1”键，电机14转速数值减少5%，其他按键操作与此类似。当没有按键时，脉位调制信号各通道低电平宽度维持上次不变，持续发送此脉位调制信号。如图3所示。

飞行控制模块11根据主控模块6发送的脉位调制信号,利用姿态控制算法得到电机14的电压控制量，实现对四旋翼飞行器的飞行姿态进行控制，完成起飞、悬停、前进、后退、向左偏航、向右偏航、自旋和降落等运动。

以四旋翼飞行器执行一次悬停飞行动作为例，过程如下：

拨打四旋翼飞行器上的SIM卡电话。

电话接通后，按压“0”按键，进行四旋翼飞行器飞行姿态传感器初始化；

按压一次“*”按键，启动四旋翼飞行器的电机14；

多次按压“3”按键，不断增加四旋翼飞行器油门，直至飞离地面到达所需高度；

按压一次“5”按键，四旋翼飞行器悬停；

多次按压“1”按键，不断减小四旋翼飞行器油门，直至降落地面；

按压一次“#”按键，关闭四旋翼飞行器电机14。

Claims (2)

1.一种基于双音多频信号技术的四旋翼飞行器控制系统，其特征在于，包括双音多频信号接收模块（1）、双音多频信号解码模块（5）、主控模块（6）、飞行控制模块（11）、电源模块（15）和用户控制终端（18）；

其中，所述双音多频信号接收模块（1）用于接收经用户控制终端（18）发送过来的双音多频信号，并将其发送给双音多频信号解码模块（5）；

所述双音多频信号接收模块（1）包括GSM模块（3）、音频接口（4）与第一串行接口（2），GSM模块（3）安装有SIM卡；其中，所述串行接口（2）用于建立双音多频信号接收模块（1）和主控模块（6）之间的通信连接；所述GSM模块（3）接收经用户控制终端（18）发送过来的双音多频信号，并通过音频接口（4）将该双音多频信号发送至双音多频信号解码模块（5）；其中，所述GSM模块（3）要求拥有能用于和主控模块（6）建立连接的AT命令集；所述音频接口（4）的输出信号幅值不低于500mv；第一串行接口（2）要求能够支持全双工异步串行，其波特率为9600；

所述双音多频信号解码模块（5）用于对接收到的双音多频信号进行解码，产生相应的二进制代码，并发送给主控模块（6）；该模块包括解码芯片和外围电路；其中，所述解码芯片必须能够对12种频率组合的双音多频信号输入进行解码，并产生4bit的二进制代码输出；同时，所述外围电路要求具有滤波功能，能够将低于600Hz高于1500Hz的干扰信号滤除；

所述主控模块（6）负责读取按键对应的二进制代码，并产生一组对应的脉位调制信号；该模块包括微处理器（9）、I/O接口（8）、第二串行接口（7）和PWM模块（10）；其中，微处理器（9）主频要求不低于8MHz，字长不低于8位，内存不少于8KB；I/O接口（8）为通用接口，最大输入输出电流不低于20mA；第二串行接口（7）具有异步串行功能，具有能产生0至2.5ms；PWM模块（10）要求能产生0至2.5ms，周期20ms的波形；

所述飞行控制模块（11）用于根据主控模块（6）发送的脉位调制信号，利用姿态控制算法得到电机的电压控制量；该模块包括控制器（12）、姿态检测传感器（13）；其中，控制器（12）主频要求不低于16MHz，字长不低于8位，内存不少于64KB，拥有8位以上定时器和6路以上10位模数转换器，具有I2C通信功能；要求姿态检测传感器（13）所采用的陀螺仪具有I2C通信功能，测量角速度范围在±2000rad/s之间，输出数字信号频率不低于400Hz；要求姿态检 测传感器（13）所采用的加速度计测量范围不低于8g，分辨率不低于10位，具有I2C通信功能；

所述电源模块（15）包括电池（17）和电平转换模块（16），电池（17）的作用是提供系统总电源并为四旋翼飞行器的电机供电；电平转换模块（16）作用是根据系统中各功能模块的工作电平为它们供电；特别的，要求电池（17）容量不低于2000mAh；电平转换模块（16）要求能够将电池（17）电压转换为3.3V--9V的连续可调电压；

所述双音多频信号接收模块（1）、双音多频信号解码模块（5）、主控模块（6）、飞行控制模块（11）、电源模块（15）均安装在四旋翼飞行器上；

用户控制终端（18）与双音多频信号接收模块（1）之间通过电讯号实现通信；双音多频信号接收模块（1）的输出端和双音多频信号解码模块（5）的输入端相连，双音多频信号解码模块（5）的输出端与主控模块（6）的输入端相连，主控模块（6）的输出端与飞行控制模块（11）的输入端相连；电源模块（15）同双音多频信号接收模块（1）、双音多频信号解码模块（5）、主控模块（6）、飞行控制模块（11）分别相连。

2.一种使用权利要求1所述控制系统对四旋翼飞行器进行控制的方法，其特征在于包括以下步骤：

首先，控制者使用用户控制终端（18）拨打四旋翼飞行器双音多频信号接收模块（1）上的SIM卡号码；

当双音多频信号接收模块（1）通过第一串行接口（2）向控制器（12）发送来电指令“RING”后，主控模块（6）回复接通指令“ATA”，从而接通电话，建立用户控制终端（18）与四旋翼飞行器之间的通信；

当电话接通后，控制者按压用户控制终端（18）的按键；双音多频信号接收模块（1）接收到该按键对应的双音多频信号后将其发送给双音多频信号解码模块（5），双音多频信号解码模块（5）识别出该信号对应的按键信息，产生相应二进制代码，发送至主控模块（6）；具体的，每个二进制代码代表一个按键，共有0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100共12个二进制代码，分别代表“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”、“*”、“0”、“#”等12个按键；主控模块（6）通过读取二进制代码，确定当前按键，进而执行对应的操作； 

主控模块（6）将按键信息转换为一组脉位调制信号，其每个周期包含4个通道信号，在主控模块（6）内部，各通道的低电平宽度大小以数值存放，主控模块（6）的PWM模块（10）按照该数值大小产生不同宽度的脉冲；每按压一次按键，相应通道的数值大小就被改变，变化程度大小通过程序设定；当没有按键时，脉位调制信号各通道低电平宽度维持上次不变，持续发送此脉位调制信号；

飞行控制模块（11）根据主控模块（6）发送的脉位调制信号,利用姿态控制算法得到电机的电压控制量，实现对四旋翼飞行器的飞行姿态进行控制，完成起飞、悬停、前进、后退、向左偏航、向右偏航、自旋和降落等运动。 

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