CN104714552A - 基于手机实时监控的四旋翼飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于手机实时监控的四旋翼飞行器，解决了现有飞行器防撞能力差，操作性不够灵活的问题。其方案是：包括安装在四旋翼飞行器机身内的四路无刷直流电机和四旋翼飞行器的内部控制电路，四旋翼飞行器的姿态和速度数据信息、加速度数据信息、实时航向数据信息和实时飞行高度数据信息经主控制器处理后，再经外接蓝牙串口传输至手机，本发明通过手机蓝牙通信控制四旋翼飞行器飞行方便简单，提高旋翼通用实用性能，WiFi视频传输模块能够实时监测四旋翼飞行器当前的飞行环境；缩小了四旋翼飞行器的结构尺寸，操作性能更加灵活，在四旋翼飞行器的外壳采用圆柱轮式外壳，可实现四旋翼飞行器在天花板上行走，保护旋翼安全。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，特别是一种基于手机实时监控的四旋翼飞行器。
背景技术
随着经济的发展，科技的进步及人民生活水平的提高，航空产品越来越多的走进人们的生活当中，大到航空客运，航空货运都与我们的生活息息相关。
法国的Parrot公司设计了一种玩具MiniDrone，其机身上有轮子可以轻松的让它前后移动，而且在地面上行走的过程中，可以通过手机上安装的APP，用手机重力感应来控制其移动，当其飞起来之后通过陀螺仪、加速度计、高度计来实现对飞行姿态的稳定控制，飞控系统和手机之间通过蓝牙4.0进行通信。
虽然国内无人机市场开始呈现繁荣的趋势，各种飞控系统和各种航拍飞行器也相继研发出来，而且产品做得很稳定和成熟。但是，国内目前尚没有机构研制出此类型四旋翼飞行器，不过，此类型四旋翼飞行器有很高的研究和应用价值。
但是对于专业航空模型的操作对飞行者的要求很高，飞行操控手只有经过专业的训练才能熟练掌握航模飞机的飞行操作，而且稍有操作不当，轻则会造成航模飞机的损坏，重则可能会造成安全事故；这些问题给航模飞机的普及带来了困难，如果能解决上述的问题，将会给航模飞机的普及清除路障，让航模飞机很容易的走进每一个家庭，让大家对航模有一个更加清楚的认识，航模不能在小场地，像室内飞行，即使能在室内飞行，但遇到障碍物易损坏，所以，有必要设计一飞行器，保证能在室内飞行，当碰到障碍物时不损坏，又能在地面、墙上和天花板上行走，还能实时传递拍摄画面至控制器上。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供基于手机实时监控的四旋翼飞行器，有效解决了现有飞行器防撞能力差，操作性不够灵活的问题。
其解决的技术方案是，包括安装在四旋翼飞行器机身内的四路无刷直流电机和四旋翼飞行器的内部控制电路，内部控制电路包括主控制器、三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、三轴数字磁阻传感器和数字气压传感器，所述主控制器的主芯片的型号为ATMega328P，三轴陀螺仪采集四旋翼飞行器的姿态和速度数据信息，三轴加速度传感器采集四旋翼飞行器的加速度数据信息，三轴数字磁阻传感器采集四旋翼飞行器的实时航向数据信息，数字气压传感器采集四旋翼飞行器的实时飞行高度数据信息，所述的四旋翼飞行器的姿态和速度数据信息、加速度数据信息、实时航向数据信息和实时飞行高度数据信息经主控制器处理后，再经外接蓝牙串口传输至手机移动设备，所述的四旋翼飞行器的外壳采用圆柱轮式外壳，其实施步骤为：
步骤一：主控制器接收手机移动设备发送的起飞指令；
步骤二：无刷直流电机控制飞行器，使其处于自稳态；
步骤三：以三轴陀螺仪数据显示是否水平，来判断四旋翼飞行器的飞行姿态是否稳定；若飞行姿态不稳定，返回步骤二，若飞行姿态稳定，开始进行步骤四；
步骤四：主控制器读取手机移动设备发送的指令和姿态数据并进行处理；
步骤五：主控制器接收手机移动指令处理后的信息和检测飞行姿态信息并执行相应的操作；
步骤六：无刷直流电机控制飞行器达到期望飞行姿态；
步骤七：等待手机移动设备发送的无线指令，若接收到无线指令，程序返回步骤四，若未接收到无线指令，程序结束。
本发明通过手机蓝牙通信控制四旋翼飞行器飞行更加方便简单，提高旋翼通用实用性能，WiFi视频传输模块能够实时监测四旋翼飞行器当前的飞行环境，有一定的军事价值；缩小了四旋翼飞行器的结构尺寸，操作性能更加灵活，在四旋翼飞行器的外壳采用圆柱轮式外壳，可实现四旋翼飞行器在天花板上行走，保护旋翼安全。
附图说明
图1为本发明的四旋翼飞行器的飞控程序的程序流程图。
图2为本发明的使用软件Fluent进行气动分析的数据表。
图3本发明的四旋翼飞行器电路原理图。
图4本发明的四旋翼飞行器四轴的电机以X字排列图。
图5本发明的采用遥控器控制四旋翼飞行器PID值统计表。
图6为蓝牙控制原理图。
图7本发明的Android蓝牙传输软件流程图。
图8为安卓手机上安装软件的控制界面图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
现结合图1至图8所示，本发明基于手机实时监控的四旋翼飞行器，包括安装在四旋翼飞行器机身内的四路无刷直流电机和四旋翼飞行器的内部控制电路，内部控制电路包括主控制器、三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、三轴数字磁阻传感器和数字气压传感器，所述主控制器的主芯片的型号为ATMega328P，三轴陀螺仪采集四旋翼飞行器的姿态和速度数据信息，三轴加速度传感器采集四旋翼飞行器的加速度数据信息，三轴数字磁阻传感器采集四旋翼飞行器的实时航向数据信息，数字气压传感器采集四旋翼飞行器的实时飞行高度数据信息，所述的四旋翼飞行器的姿态和速度数据信息、加速度数据信息、实时航向数据信息和实时飞行高度数据信息经主控制器处理后，再经外接蓝牙串口传输至手机移动设备，所述的四旋翼飞行器的外壳采用圆柱轮式外壳，其实施步骤为：
步骤一：主控制器接收手机移动设备发送的起飞指令；
步骤二：无刷直流电机控制飞行器，使其处于自稳态；
步骤三：以三轴陀螺仪数据显示是否水平，来判断四旋翼飞行器的飞行姿态是否稳定；若飞行姿态不稳定，返回步骤二，若飞行姿态稳定，开始进行步骤四；
步骤四：主控制器读取手机移动设备发送的指令和姿态数据并进行处理；
步骤五：主控制器接收手机移动指令处理后的信息和检测飞行姿态信息并执行相应的操作；
步骤六：无刷直流电机控制飞行器达到期望飞行姿态；
步骤七：等待手机移动设备发送的无线指令，若接收到无线指令，程序返回步骤四，若未接收到无线指令，程序结束。
所述的四旋翼飞行器的设计指标为：空重300g，加载模块为600g，有效载荷900g，最大载荷1.6Kg，选取四路电机KV：2280KV，长度：26.7mm，转子外径：23mm，轴径：2mm，适用锂电：2-3S，最大推力：460g，螺旋桨：5英寸，重量：18g，四旋翼轴距为325mm；
所述的四旋翼飞行器电池选择容量：800mAh，电压：11.1V，单体数：3S1P，重量：78g，尺寸（长*宽*高）：52*31*22.5，配线：16AWG（DC3），最大充电系数：6C，最大放电系数：45C，最大连续电流：36A，最大连续输出：378W。
所述的四旋翼飞行器的四旋翼轴距考虑到室内飞行尺寸尽量小，但由于螺旋桨之间有气动影响，使用的桨径为5英寸（127mm），所以初步定轴距为250-400mm，将轴距分成250、325和400三组数据，并使用gambit软件，建立四个螺旋桨的模型，使用Fluent软件进行气动分析得出三组数据图2所示，根据推力系数和阻力系数的对比和分析，250mm与325mm和400mm的气动数据相差较大，而325mm与400mm的气动数据相差不大，又考虑到四旋翼飞行器尺寸和重量尽可能的小，最终确定四旋翼轴距为325mm；
所述的四旋翼飞行器机身内的四路无刷直流电机以X字的方式排列，灵活性和可调性较高，调整的时候应相邻的两个融合调节。
所述的四旋翼飞行器的外壳采用由mm玻璃纤维杆制成的圆柱轮式外壳，由于mm玻璃纤维杆可承受弯曲、压缩和剪切应力其强度相当于钢材，也具有玻璃那样的色泽、形体、耐腐蚀、电绝缘和隔热等性能，以实现四旋翼飞行器的地面行走和爬壁，同时防止其碰撞而损坏。
将无刷直流电机、电调和接收机连接在飞控板上，由于四旋翼飞行器由四路无刷直流电机带动两对反向螺旋桨来产生推力，采用PID控制理论调整飞行器的当前姿态达到期望姿态，以使电机在平稳悬浮或上升状态时转速的一致性及不同动作时各个电机转速的比例关系保证飞行器按照期望姿态飞行。
PID控制是通过速度数据信息、加速度数据信息、实时飞行高度数据信息和实时航向数据信息与期望飞行姿态进行对比，如果存在误差，就对所存在的误差进行比例、积分和微分的调整，再将调整后的值加到当前的电机上，从而达到调整的目的；比例调节的反应速度快，而且调节作用明显，飞行器出现俯仰和翻转时能快速调节过来，但是稳定性较差；积分调节可以消除长期误差，排除外界因素的干扰，但是同样会降低系统的整体的稳定性，使飞行器发生振荡；微分调节可以预测被控设备的将来状态，及时的进行调整，而且对比例调节有抑制作用，加强单比例调节的稳定性，排除调节过度的问题，所以通过PID控制可以完全考虑到整个飞行器的过去、现在、将来的状态，以使该飞行器达到稳定的飞行姿态。
采用遥控器控制四旋翼测试出稳定的PID值，由P比例系数、I积分系数和D微分系数统计表，可以看出：P比例系数为ROLL1.6，PITCH1.7，YAW2.1、I积分系数为0和D微分系数为ROLL22，PITCH22，YAW0，可以很好地控制飞行器的飞行状态。
拆除接收机，将蓝牙模块连接至飞控板上，从飞控板引出5v电压连接WiFi模块和摄像头，Android系统蓝牙传输程序流程包括：
步骤一：判断蓝牙是否开启，若蓝牙没开启，开启蓝牙后执行步骤二，若蓝牙已开启，开始执行步骤二；
步骤二：搜索周围蓝牙设备；
步骤三：判断是否搜索到设备，若搜索不到周围的蓝牙设备，返回步骤二，若搜索到周围的蓝牙设备，开始执行步骤四；
步骤四：选择设备列表中要连接的对象，并与选择的设备进行连接；
步骤五：验证UUID是否一致，若UUID不一致，结束通信，若UUID一致，开始执行步骤六；
步骤六：验证PIN是否一致，若PIN不一致，结束通信，若PIN一致，完成连接，开始数据的传输；
步骤七：发送通信开始信号，接收数据存入缓存；
步骤八：判断缓存数据是否合法，若缓存数据合法，数据放入显示缓存，结束通信。
在安卓手机上安装multiwii ez-gui控制软件，使用安卓手机控制四旋翼飞行器的飞行姿态并实时观测传输的画面，进行实际飞行测试，起飞时，用手机通过蓝牙控制四旋翼飞行器的起飞，并通过安装在飞行系统上的WiFi图像传输模块进行飞行监控。
本发明通过手机蓝牙通信控制四旋翼飞行器飞行更加方便简单，提高旋翼通用实用性能，WiFi视频传输模块能够实时监测四旋翼飞行器当前的飞行环境，有一定的军事价值；缩小了四旋翼飞行器的结构尺寸，操作性能更加灵活，在四旋翼飞行器的外壳采用圆柱轮式外壳，可实现四旋翼飞行器在天花板上行走，保护旋翼安全。
Claims (3)
1.基于手机实时监控的四旋翼飞行器，包括安装在四旋翼飞行器机身内的四路无刷直流电机和四旋翼飞行器的内部控制电路，内部控制电路包括主控制器、三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、三轴数字磁阻传感器和数字气压传感器，所述主控制器的主芯片的型号为ATMega328P，三轴陀螺仪采集四旋翼飞行器的姿态和速度数据信息，三轴加速度传感器采集四旋翼飞行器的加速度数据信息，三轴数字磁阻传感器采集四旋翼飞行器的实时航向数据信息，数字气压传感器采集四旋翼飞行器的实时飞行高度数据信息，所述的四旋翼飞行器的姿态和速度数据信息、加速度数据信息、实时航向数据信息和实时飞行高度数据信息经主控制器处理后，再经外接蓝牙串口传输至手机移动设备，其特征在于，所述的四旋翼飞行器的外壳采用圆柱轮式外壳，其实施步骤为：
步骤一：主控制器接收手机移动设备发送的起飞指令；
步骤二：无刷直流电机控制飞行器，使其处于自稳态；
步骤三：以三轴陀螺仪数据显示是否水平，来判断四旋翼飞行器的飞行姿态是否稳定；若飞行姿态不稳定，返回步骤二，若飞行姿态稳定，开始进行步骤四；
步骤四：主控制器读取手机移动设备发送的指令和姿态数据并进行处理；
步骤五：主控制器接收手机移动指令处理后的信息和检测飞行姿态信息并执行相应的操作；
步骤六：无刷直流电机控制飞行器达到期望飞行姿态；
步骤七：等待手机移动设备发送的无线指令，若接收到无线指令，程序返回步骤四，若未接收到无线指令，程序结束。
2.根据权利要求1所述的基于手机实时监控的四旋翼飞行器，其特征在于，所述的四旋翼飞行器机身内的四路无刷直流电机以X字的方式排列。
3.根据权利要求1所述的基于手机实时监控的四旋翼飞行器，其特征在于，所述圆柱轮式外壳是由mm玻璃纤维杆制成的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150617 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |