CN104386246A - 四旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四旋翼飞行器，包括机身，所述的机身的前端对称安装有第一、第二旋翼，所述的机身的后端对称安装有第三、第四旋翼，所述的第一、第二、第三、第四旋翼分别一与无刷直流电机相连，所述的无刷直流电机分别连接一电机调速器，所述的电机调速器调节无刷直流电机的转速；所述的电机调速器均与一飞行控制器相连，所述的飞行控制器控制电机调速器的调节；还包括角速度传感器和角度传感器，所述的角速度传感器与角度传感器分别与所述的飞行控制器连接。本发明结构设计简单、成本低、可以实现四旋翼飞行器俯仰、翻滚、偏航等功能。

Description

四旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及一种四旋翼飞行器。

背景技术

四旋翼飞行器的运用是多方面的，除了最基础的供学习参考、娱乐休闲的功能外，还具有实际意义的价值。比如，在拓展外部摄像头的情况下，可以实现地形地貌航拍功能，为地质测量提供数据支持；进行野外探寻，高空寻找失散物；对森林火灾进行现场航空拍摄，得到控制。在外拓一些温湿度传感器，大气微粒传感器等设备外，还可以对高空空气质量状况提供详细数据。

在已有的技术中，四旋翼飞行器的硬件电路设计有很多。从主控芯片的选择到各个种类的传感器的设计，都是需要通过筛选、设计、实验从而得到最终确定和实现的。但是现有的四旋翼设备性价比不高，稳定性差，机械结构不安全，物理结构不结实。同时，因为其集成度高，内部芯片唯一化，因此当四旋翼飞行器发生故障的时候，不能够很好地进行自我维修。

作为一种优选方案，与其他飞行器类似。四旋翼飞行器于空中有六个自由度，可以实现左右、上下、前后的运动。通过这些运动的变换，达到上述俯仰、偏航、翻转等行为动作。通过力学原理，可以看出，四旋翼飞行器在四个控制量的前提下，要实现六个自由度的运动，这是一个很典型的欠驱动系统，同时，四旋翼飞行器是三维方向上的运行，有很高的耦合动特性。所以，如果不通过嵌入式技术的实现，很难对该飞行器进行理想控制。

发明内容

为了克服现有四旋翼飞行器存在的性价比不高，稳定性差，机械结构不安全，物理结构不结实等的缺点，本发明提供一种四旋翼飞行器。

本发明采用的技术方案是：

四旋翼飞行器，包括机身，所述的机身的前端对称安装有第一、第二旋翼，所述的机身的后端对称安装有第三、第四旋翼，所述的第一、第二、第三、第四旋翼分别一与无刷直流电机相连，所述的无刷直流电机分别连接一电机调速器，所述的电机调速器调节无刷直流电机的转速；所述的电机调速器均与一飞行控制器相连，所述的飞行控制器控制电机调速器的调节；其特征在于：还包括角速度传感器和角度传感器，所述的角速度传感器与角度传感器分别与所述的飞行控制器连接。

进一步，所述的机身上安装有用于高空采集图像的无线摄像头，所述的无线摄像头与下位机通信连接，所述的下位机通过UART接口与PC端上位机连接。用STM32设计UC/OSII嵌入式系统的下位机，使用无线与四旋翼飞行器进行通信，用作人机交互以及图像数据传输的中间站，能够完成飞行器各个状态之间的切换以及数据的接收显示。

进一步，所述的飞行控制器包括ARM单片机和惯性导航系统，所述的ARM单片机通过USART接口与STM32控制器连接，所述的ARM单片机通过无线模块与下位机连接，所述的STM32控制器与安装在机身上的无线摄像头控制连接；所述的惯性导航系统包括包括MPU6050陀螺仪、HMC5883电子罗盘和MS5611气压计。

进一步，所述的下位机采用STM32开发的uc/osII的嵌入式系统。

本发明根据空气动力学原理可以通过嵌入式系统来控制其旋翼的转速。本发明中，飞行控制器采用了STM32F103VET6的ARM单片机，进行飞行控制和姿态控制；其功能强大，性价比高，同时使用另一块STM32控制器进行图像采集与数据通信。下位机则是使用STM32开发的uc/osII的嵌入式系统，其集成了普通遥控功能以及采用一块GY-8610DOF模块制作的感应遥控部分。同时，3.2寸的带触控TFT液晶显示器也能够承担一个很好的人机交互的角色。下位机与PC端上位机的交互则采用了UART接口，通过FT232电平转换模块达到电平匹配的目的。

惯性导航系统是采集飞行器机体的运动状态信息作为控制系统控制的重要信息依据。惯性导航平台的反馈精度直接影响到控制系统的控制精度。本发明的惯性导航系统由MPU6050陀螺仪、HMC5883电子罗盘和MS5611气压计组成。

本发明的有益效果体现在：四旋翼飞行器性价比高，稳定性强，机械结构稳定，操作性不高。内部芯片模块化，便于自身维修。

附图说明

图1是本发明四旋翼飞行器硬件系统构成图。

图2是本发明STM32控制器连接电路。

图3是本发明MPU6050陀螺仪连接电路。

图4是本发明HMC5883电子罗盘连接电路。

图5是本发明MS5611气压计连接电路。

图6是本发明无线摄像头OV7620连接电路。

图7是本发明nRF24L01连接电路。

具体实施方式

机身型号是F450，总重量为282克，电机轴距为450mm。为了配合该四旋翼飞行器的飞行动力，采用1047型螺旋桨，提供旋转动力。选用朗宇2212980kv无刷直流电机，并在四个无刷直流电机上连接好赢30A电调，持续电流为30A，短时电流为40A。用2200mah锂电池作为电源。

参照图1，四旋翼飞行器，包括机身，所述的机身的前端对称安装有第一、第二旋翼11、12，所述的机身的后端对称安装有第三、第四旋翼13、14，所述的第一、第二、第三、第四旋翼分别一与无刷直流电机2相连，所述的无刷直流电机分别连接一电机调速器3，所述的电机调速器调节无刷直流电机的转速；所述的电机调速器均与一飞行控制器4相连，所述的飞行控制器4控制电机调速器的调节；还包括角速度传感器8和角度传感器9，所述的角速度传感器与角度传感器分别与所述的飞行控制器4连接。

进一步，所述的机身上安装有用于高空采集图像的无线摄像头，所述的无线摄像头6与下位机10通信连接，所述的下位机10通过UART接口与PC端上位机连接。用STM32设计UC/OSII嵌入式系统的下位机，使用无线与四旋翼飞行器进行通信，用作人机交互以及图像数据传输的中间站，能够完成飞行器各个状态之间的切换以及数据的接收显示。

进一步，所述的飞行控制器4包括ARM单片机和惯性导航系统，所述的ARM单片机通过USART接口与STM32控制器5连接，所述的ARM单片机通过无线模块7与下位机10连接，所述的STM32控制器与安装在机身上的无线摄像头控制连接；所述的惯性导航系统包括包括MPU6050陀螺仪、HMC5883电子罗盘和MS5611气压计。

进一步，所述的下位机采用STM32开发的uc/osII的嵌入式系统。

本发明根据空气动力学原理可以通过嵌入式系统来控制其旋翼的转速。本发明中，飞行控制器采用了STM32F103VET6的ARM单片机，进行飞行控制和姿态控制；其功能强大，性价比高，同时使用另一块STM32控制器进行图像采集与数据通信。下位机则是使用STM32开发的uc/osII的嵌入式系统，其集成了普通遥控功能以及采用一块GY-8610DOF模块制作的感应遥控部分。同时，3.2寸的带触控TFT液晶显示器也能够承担一个很好的人机交互的角色。下位机与PC端上位机的交互则采用了UART接口，通过FT232电平转换模块达到电平匹配的目的。

惯性导航系统是采集飞行器机体的运动状态信息作为控制系统控制的重要信息依据。惯性导航平台的反馈精度直接影响到控制系统的控制精度。本发明的惯性导航系统由MPU6050陀螺仪、HMC5883电子罗盘和MS5611气压计组成。

参考图2，电路图中Y1、Y2分别是系统实时晶振和主晶振。其中Y1晶振提供Systick用于精确时间延时，而Y2用于提供高速时钟，保证系统的工作运行。复位电路以及S1按钮，实现复位功能。PA0、PA6、PA15以及PB6接口实现电子调速器的信号输出，控制电调。STM32中PB10口和PB11口提供各个传感器的芯片的数据输入输出。通过PB10和PB11口的控制，实现气压计HMC5883，陀螺仪和加速度计MPU6050，MS5611和数字摄像头OV7620的控制。PA0～PA7八个接口和OV7620接口连接，实现8位数字图像的传输功能。PB12、PB13、PB14、PB15、PB0、PB1和nRF24L01模块连接，实现下位机和飞控板无线传输控制的功能。

陀螺仪、加速度计、电子罗盘以及气压计等传感器实现飞行器的姿态的控制。本设计中，采用的多传感器模块为惯性传感器GY-8610DOF MPU6050+HMC5883+MS561110轴传感器。通过十轴多传感器的数据采集，再运用卡尔曼滤波得到有效的信息，接着通过数据融合技术，得到各个部分的信息，最终得到有用参数。陀螺仪和加速度计，我们采用MPU6050作为惯导传感器，电子罗盘采用HMC5883高集成弱磁传感器芯片，用MS5611传感器作为高分辨率的气压传感器。

所述MPU6050包含了3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，并为应用开发提供架构化的API。

MPU6050连接电路如图3所示。

所述HMC5883数字罗盘是一种低成本罗盘和磁场检测领域的芯片。该设计中，四旋翼飞行器的数字罗盘运用即采用HMC5883。

HMC5883连接电路图如图4所示。

对于数字罗盘传感器HMC5883而言，其SCL和SDA接口和MPU6050相似，都是对其串行时钟和串行数据进行采集控制的接口。

MS5611是一款由瑞士MEAS公司生产的气压传感器，优于该芯片的性价比，本四旋翼设计中则采用该芯片作为气压传感器。

MS5661连接电路图如图5所示。

除了用于测量和控制其角度及位姿的几个传感器芯片外，该设计中还包含了一个数字摄像头OV7620，用于高空采集图像。OV7620是一款单片视频、图像摄像头设备，其在一个小尺寸的芯片内部提供了高性能的水平。OV7620的应用包括：视频会议、视频电话、视频邮件、静态图像和PC多媒体等，正因为该芯片的性能和参数相对于其他同类芯片更为合理，因此，该四旋翼的高空采集图像的功能有OV7620来实现，通过NRF24L01+PA的无线通信方式，将控制信号与图像信息进行整合后与嵌入式下位机进行通信，达到数字图像传输的功能。

OV7620和STM32的连接电路图如图6所示。

作为一款遥控的移动飞行器，其无线传输也是十分重要的一个环节。该设计采用nRF24L01作为其无线收发芯片。其输出功率频道选择和协议的设置都可以通过SPI接口进行设置。该芯片能够连接几乎所有单片机芯片，并完成无线传送工作，因此运用范围很是广泛。不仅如此，该芯片的电流消耗量很小，正因如此，我们选择该款新品作为无线收发芯片。达到数据和图像传输的功能。

其与STM32的连接电路如图7所示。

Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6和Y7接口实现OV7620和STM32之间的数据传输。SDA和SCL接口连接STM32的PB10和PB11接口。通过程序的控制，我们就可以从OV7620中获得图像数据，通过nRF24L01的无线通讯，发送到下位机，再而到达上位机。

以上是其飞控板的硬件电路连接。通过GY-8610DOFMPU6050+HMC5883+MS561110轴传感器的位姿角度的采集、数据融合、以及位姿控制，用OV7620实现图像采集，同时通过nRF24L01的无线传输，到达下位机，实现数据记录和飞控控制。

下位机则是使用STM32开发的uc/osII的嵌入式系统，其集成了普通遥控功能以及采用一块GY-8610DOF模块制作的感应遥控部分。同时，3.2寸的带触控TFT液晶显示器也能够承担一个很好的人机交互的角色。下位机与PC端上位机的交互则采用了UART接口，通过FT232电平转换模块达到电平匹配的目的。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.四旋翼飞行器，包括机身，所述的机身的前端对称安装有第一、第二旋翼，所述的机身的后端对称安装有第三、第四旋翼，所述的第一、第二、第三、第四旋翼分别一与无刷直流电机相连，所述的无刷直流电机分别连接一电机调速器，所述的电机调速器调节无刷直流电机的转速；所述的电机调速器均与一飞行控制器相连，所述的飞行控制器控制电机调速器的调节；其特征在于：还包括角速度传感器和角度传感器，所述的角速度传感器与角度传感器分别与所述的飞行控制器连接。

2.如权利要求1所述的四旋翼飞行器，其特征在于：所述的机身上安装有用于高空采集图像的无线摄像头，所述的无线摄像头与下位机通信连接，所述的下位机通过UART接口与PC端上位机连接。

3.如权利要求1或2所述的四旋翼飞行器，其特征在于：所述的飞行控制器包括ARM单片机和惯性导航系统，所述的ARM单片机通过USART接口与STM32控制器连接，所述的ARM单片机通过无线模块与下位机连接，所述的STM32控制器与安装在机身上的无线摄像头控制连接；所述的惯性导航系统包括包括MPU6050陀螺仪、HMC5883电子罗盘和MS5611气压计。

4.如权利要求3所述的四旋翼飞行器，其特征在于：所述的下位机采用STM32开发的uc/osII的嵌入式系统。