CN106125754B - 一种多旋翼无人机遥控器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无人机控制技术领域，涉及一种多旋翼无人机遥控器，电源模块分别与主控模块、无线模块、摇杆模块和按键模块的电源端口连接以提供电源，主控模块以8位单片机IAP15W4K58S4作为主控核心，通过单片机端口分别与无线模块的对应端口、摇杆模块的四个电压输出端和按键模块的六个按键单元连接，以实现对各个模块的状态和数据的控制；无线模块负责与多旋翼无人机上匹配的无线模块进行连接以传输信息，摇杆模块通过手动控制摇杆位移以改变其输出电压，实现对多旋翼无人机飞行位置和飞行姿态的控制；按键模块用于进行无人机系统上电后陀螺仪校准、无人机姿态微调和其他功能扩展；具有通用性较高、操作简易、能够实时传输参数、方便携带等特点。

Description

一种多旋翼无人机遥控器
技术领域：
本发明属于无人机控制技术领域，涉及一种用于控制多旋翼无人机的遥控器，以国产8位单片机IAP15W4K58S4为控制芯片，采用模块化结构设计，具有通用性较高、操作简易、能够实时传输参数、方便携带等特点。
背景技术：
近年来，多旋翼无人机是众多学者研究的热门话题，其在各个领域应用广泛，不仅能够用于交通规划航拍、国土资源航拍、科学考查航空摄影、空中巡逻、搜索营救、边境巡查、空中侦察、森林防火、地震调查、应急救灾、军事侦察等，而且在环境监测、大气取样、增雨、资源勘探、禁毒，反恐、消防航拍侦察等方面也有很大应用潜力。多旋翼无人机被定义为一种利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，其通过内置的算法程序实现在空中保持稳定的悬停，或者按照预设轨迹进行巡航；实际使用中，由于工作环境的不确定性和外界因素的各种干扰，通常需要人工操作来调整姿态以保证多旋翼无人机正常、稳定的工作。
实践中，人为对多旋翼无人机的调整大多是通过信号发射器和接收器来实现的，通常在多旋翼无人机上增加无线通讯装置并配备相对应的信号发射装置(如航模遥控器等)，完成对多旋翼无人机的信息传递和接收，以达到控制多旋翼无人机姿态和运行轨迹的目的。现有技术中用于多旋翼无人机的遥控器大都为专用的航模遥控器，例如中国专利ZL201520791652.1公开的一种航模遥控器，中国专利ZL 201520766183.8公开的一种新型航模遥控器，中国专利ZL 201520121493.4公开的一种航模遥控器，中国专利ZL201310701417.6公开的一种能实现姿态自动控制的航模遥控手柄等，均存在以下缺点：(1)实用经济性方面：市面上大部分多旋翼飞行器采用的专用航模遥控器，虽然性能和稳定性很好，功能齐全，但是售价过于昂贵，对于普通的非专业操作人员来说是难以接受的；(2)结构方面：专用航模遥控器虽然功能非常齐全，但是结构复杂、制作工序繁琐、生产成本较高，用于普通飞行器时众多功能被浪费闲置；因此本发明研究设出一种基于IAP15W4K58S4的多旋翼无人机遥控器，其在操作功能齐全的前提下降低了设计难度和制作成本。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计一种用于多旋翼无人机的经济实用型遥控器，具体为一种基于IAP15W4K58S4的多旋翼无人机遥控器。
为了实现上述目的，本发明涉及的多旋翼无人机遥控器的主体结构包括主控模块、电源模块、无线模块、摇杆模块和按键模块，电源模块分别与主控模块、无线模块、摇杆模块和按键模块的电源端口连接以提供电源，主控模块以8位单片机IAP15W4K58S4作为主控核心，通过单片机的P2.0、P2.1、、P2.2、P2.3、P4.4和P3.2与无线模块的对应端口进行连接，通过单片机的P1.0、、P1.1、P1.2、P1.3与摇杆模块的四个电压输出端连接，通过单片机的P1.5、P1.6、P1.7、P4.2、P4.5和P4.7与按键模块的六个按键单元连接，以实现对各个模块的状态和数据的控制；无线模块负责与多旋翼无人机上匹配的无线模块进行连接以传输信息，摇杆模块通过手动控制摇杆位移以改变其输出电压，实现对多旋翼无人机飞行位置和飞行姿态的控制；按键模块用于进行无人机系统上电后陀螺仪校准、无人机姿态微调和其他功能扩展；所述多旋翼无人机遥控器使用时，电源模块接通上电后各模块初始化并开始工作：首先，主控模块进行复位操作后通过无线模块尝试与多旋翼无人机上匹配的无线模块进行连接以进行数据传输；其次，主控模块检测按键模块的状态，得到是否有按键按下以及哪个按键被按下的按键信息，并将按键信息所对应的预先定义的参数通过无线模块发送给多旋翼无人机，多旋翼无人机根据接受的参数进行陀螺仪校准和其他指令，进而实现对按键功能的控制响应；当多旋翼无人机产生相应动作后，通过调节摇杆模块中两组摇杆结构中的摇杆位置，以改变相应的输出电压信息，当主控模块接收到电压变化信息后通过无线模块向多旋翼无人机传输相应数据，从而改变多旋翼无人机的油门大小和各个旋翼的转速，以实现对多旋翼无人机飞行位置和飞行姿态的控制。
进一步的，所述电源模块中设置有LM1117-3.3V降压芯片，降压芯片的输入和输出端与地之间并联有去耦电容以减少输入电压的波纹；所述无线模块采用NRF24L01芯片。
进一步的，所述摇杆模块包括两组自复位式的摇杆结构，一组摇杆结构用于控制多旋翼无人机相对于地面垂直位置的改变，另一组摇杆结构用于控制多旋翼无人机飞行姿态的改变；每组自复位式摇杆结构中设计有摇杆、键帽、滑动变阻器和支架，滑动变阻器中电阻丝上的滑杆与摇杆传动式连接，当摇杆产生任意方向的位移时会带动滑杆随之移动，改变滑动变阻器的输出电压值，实现对多旋翼无人机各个旋翼转速的控制；摇杆的位移大小通过计算公式：l＝L*u/U，其中l为摇杆的位移大小，L为滑动变阻器中电阻丝的长度，u为滑动变阻器中滑杆与电阻丝一端之间的电压，U为滑动变阻器中电阻丝两端的总电压。
进一步的，所述按键模块包括有六组按键，一组按键用于在无人机起飞时校准无人机上的陀螺仪以清除偏差，四组用于根据无人机姿态对其进行小范围调整，一组为预留组用于后期对无人机算法进行改进，所述六组按键均选用四脚微动开关；当按键未按下时主控模块中单片机对应的引脚为悬空状态，此时为高电平状态；当按键按下时主控模块中单片机对应的引脚直接接地，此时为低电平状态。
本发明与现有技术相比，使用的控制芯片为国产8位单片机IAP15W4K58S4，采用模块化的结构设计模式，各个组成模块功能独立又分工协作，保证了遥控器整体操作的稳定性和高效性；预留的程序下载接口，能够方便对程序算法进行升级和调试，同时预留有若干未定义按键，以便于后期功能扩展；预留的未定义I/O接口，方便添加外设；采用+5V外接电源供电，再通过降压芯片转化为+3.3V电源后给各个模块供电；采用NRF24L01作为无线通信模块，体积小、功耗低，非常适合用于多旋翼无人机的信息通讯。
附图说明：
图1为本发明涉及的多旋翼无人机遥控器的结构模块示意图。
图2为本发明中涉及的主控模块的结构原理示意图。
图3为本发明中涉及的电源模块的结构原理示意图。
图4为本发明中涉及的无线模块的结构原理示意图。
图5为本发明中涉及的摇杆模块的结构原理示意图。
图6为本发明中涉及的按键模块的结构原理示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。
实施例：
本实施例涉及的多旋翼无人机遥控器的主体结构包括主控模块1、电源模块2、无线模块3、摇杆模块4和按键模块5，电源模块2分别与主控模块1、无线模块3、摇杆模块4和按键模块5的电源端口连接以提供电源，主控模块1以8位单片机IAP15W4K58S4作为主控核心，通过单片机的P2.0、P2.1、、P2.2、P2.3、P4.4和P3.2与无线模块3的对应端口进行连接，通过单片机的P1.0、、P1.1、P1.2、P1.3与摇杆模块4的四个电压输出端连接，通过单片机的P1.5、P1.6、P1.7、P4.2、P4.5和P4.7与按键模块5的六个按键单元连接，以实现对各个模块的状态和数据的控制；无线模块3负责与多旋翼无人机上匹配的无线模块进行连接以传输信息，摇杆模块4通过手动控制摇杆位移以改变其输出电压，实现对多旋翼无人机飞行位置和飞行姿态的控制；按键模块5用于进行无人机系统上电后陀螺仪校准、无人机姿态微调和其他功能扩展；所述多旋翼无人机遥控器使用时，电源模块2接通上电后其他各模块进行初始化并开始工作：首先，主控模块1进行复位操作后通过无线模块3尝试与多旋翼无人机上匹配的无线模块进行连接以进行数据传输；其次，主控模块1检测按键模块5的状态，得到是否有按键按下以及哪个按键被按下的按键信息，并将按键信息所对应的预先定义的参数通过无线模块3发送给多旋翼无人机，多旋翼无人机根据接受的参数进行陀螺仪校准和其他指令，进而实现对按键功能的控制响应；当多旋翼无人机产生相应动作后，通过调节摇杆模块4中两组摇杆结构中的摇杆位置，以改变相应的输出电压信息，当主控模块1接收到电压变化信息后通过无线模块3向多旋翼无人机传输相应数据，从而改变多旋翼无人机的油门大小和各个旋翼的转速，以实现对多旋翼无人机飞行位置和飞行姿态的控制，所述飞行位置是指相对于地面的垂直位置。
本实施例所述主控模块1采用8位单片机IAP15W4K58S4作为主控核心，该单片机相对于传统8051单片机性能有所提升，其外设资源丰富能够完全满足系统性能的要求；IAP15W4K58S4单片机为国内宏晶科技有限公司所生产，在成本上和技术支持上相较于市售的单片机均具有较大优势。
本实施例所述电源模块2中设置有LM1117-3.3V降压芯片，降压芯片的输入和输出端与地之间并联有去耦电容以减少输入电压的波纹；电源模块2外接+5V电源作为系统主电源，然后通过LM1117-3.3V降压芯片将+5V电压转换为+3.3V电压，实现对其他模块的供电。
本实施例所述无线模块3采用NRF24L01芯片，NRF24L01芯片是工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片，其具有工作温度范围宽、通讯速率高、体积小的特点，所具有的126个通讯通道和6个数据通道能够满足多点通讯。
本实施例所述的摇杆模块4包括两组自复位式的摇杆结构，一组摇杆结构用于控制多旋翼无人机相对于地面垂直位置的改变，另一组摇杆结构用于控制多旋翼无人机飞行姿态的改变；每组自复位式摇杆结构中设计有摇杆、键帽、滑动变阻器和支架，滑动变阻器中电阻丝上的滑杆与摇杆传动式连接，当摇杆产生任意方向的位移时会带动滑杆随之移动，改变滑动变阻器的输出电压值，实现对多旋翼无人机各个旋翼转速的控制；摇杆的位移大小通过计算公式：l＝L*u/U，其中l为摇杆的位移大小，L为滑动变阻器中电阻丝的长度，u为滑动变阻器中滑杆与电阻丝一端之间的电压，U为滑动变阻器中电阻丝两端的总电压。
本实施例所述的按键模块5包括有六组按键(如图6所示)，一组按键用于在无人机起飞时校准无人机上的陀螺仪以清除偏差，四组用于根据无人机姿态对其进行小范围调整，一组为预留组用于后期对无人机算法进行改进，所述六组按键均选用普通的四脚微动开关；当按键未按下时主控模块1中单片机对应的引脚为悬空状态，即处于高电平状态；当按键按下时主控模块1中单片机对应的引脚直接接地，即处于低电平状态。

Claims (3)

1.一种多旋翼无人机遥控器，其特征在于主体结构包括主控模块、电源模块、无线模块、摇杆模块和按键模块，电源模块分别与主控模块、无线模块、摇杆模块和按键模块的电源端口连接以提供电源，主控模块以8位单片机IAP15W4K58S4作为主控核心，通过单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P4.4和P3.2与无线模块的对应端口进行连接，通过单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3与摇杆模块的四个电压输出端连接，通过单片机的P1.5、P1.6、P1.7、P4.2、P4.5和P4.7与按键模块的六个按键单元连接，以实现对各个模块的状态和数据的控制；无线模块负责与多旋翼无人机上匹配的无线模块进行连接以传输信息，摇杆模块通过手动控制摇杆位移以改变其输出电压，实现对多旋翼无人机飞行位置和飞行姿态的控制；按键模块用于进行无人机系统上电后陀螺仪校准、无人机姿态微调和其他功能扩展；所述摇杆模块包括两组自复位式的摇杆结构，一组摇杆结构用于控制多旋翼无人机相对于地面垂直位置的改变，另一组摇杆结构用于控制多旋翼无人机飞行姿态的改变；每组自复位式摇杆结构中设计有摇杆、键帽、滑动变阻器和支架，滑动变阻器中电阻丝上的滑杆与摇杆传动式连接，当摇杆产生任意方向的位移时会带动滑杆随之移动，改变滑动变阻器的输出电压值，实现对多旋翼无人机各个旋翼转速的控制；摇杆的位移大小通过计算公式：l＝L*u/U，其中l为摇杆的位移大小，L为滑动变阻器中电阻丝的长度，u为滑动变阻器中滑杆与电阻丝一端之间的电压，U为滑动变阻器中电阻丝两端的总电压；
所述多旋翼无人机遥控器使用时，电源模块接通上电后各模块初始化并开始工作：首先主控模块进行复位操作后通过无线模块尝试与多旋翼无人机上匹配的无线模块进行连接以进行数据传输；其次主控模块检测按键模块的状态，得到是否有按键按下以及哪个按键被按下的按键信息，并将按键信息所对应的预先定义的参数通过无线模块发送给多旋翼无人机，多旋翼无人机根据接受的参数进行陀螺仪校准和其他指令，进而实现对按键功能的控制响应；当多旋翼无人机产生相应动作后，通过调节摇杆模块中两组摇杆结构中的摇杆位置，以改变相应的输出电压信息，当主控模块接收到电压变化信息后通过无线模块向多旋翼无人机传输相应数据，从而改变多旋翼无人机的油门大小和各个旋翼的转速，以实现对多旋翼无人机飞行位置和飞行姿态的控制。
2.根据权利要求1所述的多旋翼无人机遥控器，其特征在于所述电源模块中设置有LM1117-3.3V降压芯片，降压芯片的输入和输出端与地之间并联有去耦电容以减少输入电压的波纹；所述无线模块采用NRF24L01芯片。
3.根据权利要求1所述的多旋翼无人机遥控器，其特征在于所述按键模块包括有六组按键，一组按键用于在无人机起飞时校准无人机上的陀螺仪以清除偏差，四组用于根据无人机姿态对其进行小范围调整，一组为预留组用于后期对无人机算法进行改进，所述六组按键均选用四脚微动开关；当按键未按下时主控模块中单片机对应的引脚为悬空状态，此时为高电平状态；当按键按下时主控模块中单片机对应的引脚直接接地，此时为低电平状态。
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