CN107315418A - 一种基于手机控制的水下直升机及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于手机控制的水下直升机及控制方法。本发明包括电源模块电路、控制模块电路、通信模块电路、电机驱动模块与检测模块电路；电源模块电路为控制模块电路、通信模块电路、及电机驱动模块与检测模块电路供电，通信模块电路的输出端与控制模块电路的输入端相连接，控制模块电路的输出端与电机驱动模块与检测模块电路的输入端相连接。本发明是基于现实技术的不足，研发了一种新型水下运载器，它可以通过手机蓝牙通信控制水下直升机，不需要其他专用上位机进行控制，简单便捷。可以实现5个自由度运动，能在水下悬停和定深运动等，兼具ROV机动灵活和AUV自主性强的特点。
Description
技术领域
本发明属于运动控制领域，尤其涉及基于手机控制的水下直升机。
背景技术
我国是一个海洋大国，绵长的海岸线给了我们丰富的海洋资源，然而水下环境恶劣危险，人的潜水深度又十分有限，如果使用水下机器人来代替人们进行水下观测、作业等任务能极大地提高工作效率、最大可能地减少人员伤亡。水下探测机器人能帮助人们完成海洋考察、水下摄影、大坝检修等多种危险的作业任务，极大地拓展了我们在海洋下的活动范围。
进入21世纪，海洋作为人类尚未开发的处女地，已经成为国际上战略竞争的焦点。海洋中面积辽阔，蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和能源，而水下机器人作为一种高新技术设备，在海底这块人类未来最现实的可发展空间中扮演着至关重要的角色，因而受到了人们的广泛关注。
国外海洋技术发达的国家都对水下智能机器人的研究与开发给予了很大的关注与投入，其科技成果也是遥遥领先。我国863计划实施之初到现在一直将机器人技术列为重点支持方向，我国是海洋大国，要提高海洋科技水平，向海洋强国的目标迈进，这也从侧面揭示了我国在海洋科技水平上的不足。
目前，远程遥控技术和大型机器人已经在军事、工业生产中普遍应用。小型机器人则在普通民用的行列中应用较为广泛。这些技术应用的范围非常大，发展前景远大，在各个行业中担当着极其重要的角色。浙江省是一个海洋大省，对海洋资源的有效运用能加速我省经济的持续快速发展。
我们团队的水下探测机器人极具实用性，主要目的是帮助人们拓展水下的活动空间和活动范围，为探索海洋资源、检修水下管道、水下生物观测等提供更好更安全的探索方式，帮助人们更好地利用海洋资源，最大程度上不受时间和空间的限制。水下探测机器人对科研教学、水下娱乐、水下考古等方面均有重大意义。
发明内容
本发明基于当前水下机器人运载器存在诸多不足之处，我们研发了一种基于手机控制的水下直升机，它可以通过手机控制，轻便灵活，可以实现5个自由度运动，能在水下悬停和定深运动等，兼具ROV机动灵活和AUV自主性强的特点。
本发明一种基于手机控制的水下直升机包括电源模块电路、控制模块电路、通信模块电路、电机驱动模块与检测模块电路；
电源模块电路为控制模块电路、通信模块电路、及电机驱动模块与检测模块电路供电，通信模块电路的输出端与控制模块电路的输入端相连接，控制模块电路的输出端与电机驱动模块与检测模块电路的输入端相连接。
电源模块电路包括12V转换为5V电路和5V转换为3.3V电路。
其中12V转换为5V电路包括第一电源管理芯片U3、第五滤波电容 C5的、第六滤波电容C6、第七滤波电容C7、第八滤波电容C8、一个按钮开关；电源管理芯片U3型号为AM1117(+5V)；
第一电源管理芯片U3的1脚、与第五滤波电容C5的负极、第七滤波电容C7的负极、第六滤波电容C6的一端、第八滤波电容C8的一端连接并联电源地；第一电源管理芯片3脚、第六滤波电容C6的另一端、第五滤波电容C5的正极通过按钮开关接+12V；第一电源管理芯片的2脚与第七滤波电容C7的正极、第八滤波电容C8的另一端相连并作为+5V直流电源；
5V电压转换为3.3V电路包括第二电源管理芯片U2、第一滤波电容 C1的、第二滤波电容C2、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4、一个熔断丝F1；所述的第二电源管理芯片型号为AM1117(+3.3V)；
第二电源管理芯片U2的1脚、第一滤波电容C1的负极、第三滤波电容C3的负极和、第二滤波电容C2的一端、第四滤波电容C4的一端均与电源地连接；第二电源管理芯片U2的3脚与第二滤波电容C2的一端、第一滤波电容C1的正极、熔断丝F1的一端，熔断丝F1的另一端与+5V 直流电源输出端连接；第二电源管理芯片U2的2脚与第三滤波电容C3 的正极、第四滤波电容C4的另一端相连，并作为输出直流电源3.3V；
控制模块电路包括单片机控制芯片U1、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第三十电阻R30、第三十一电阻R31、第二十九滤波电容C29、第三十滤波电容C30、第三十一滤波电容C31、第三十二滤波电容C32、第三十三滤波电容C33、第一开关按键S1、第一晶振Y1、第二晶振Y2、电池BAT1、2x3排针BOOT；
单片机控制芯片U1的25脚与第三十三滤波电容C33的一端、第十六电阻R16的一端、第一开关按键S1的一端相连；第十六电阻R16的另一端与+3.3V相连，第三十三滤波电容C33的另一端第一开关按键S1的一端连接并联电源地；单片机控制芯片U1的23脚与第二晶振Y2的一端、第十三电阻R13的一端、第三十一滤波电容C31的一端相连；单片机控制芯片U1的24脚与第十三电阻R13的另一端、第二晶振Y2的另一端、第三十二滤波电容C32的一端相连；第三十一滤波电容C31另一端、第三十二滤波电容C32的另一端都与电源地相连。
单片机控制芯片U1的6脚与第十四电阻R14的一端、第十五电阻R15 的一端相连接；第十四电阻R14的另一端接+3.3V，第十五电阻R15的另一端接电池正极，电池负极接地；单片机控制芯片U1的8脚与第十一电阻R11的一端相连，第一晶振Y1的一端与第十一电阻R11的另一端、第二十九滤波电容C29的一端相连；单片机控制芯片U1的9脚与第十二电阻R12的一端相连，第二晶振Y2的另一端与第三十滤波电容C30的一端相连；第三十滤波电容C30、第二十九滤波电容C29的另一端都与电源地相连。
单片机控制芯片U1的48脚通过第三十电阻R30与2x3排针BOOT1 管脚3相连，单片机控制芯片U1的138脚通过第三十一电阻R31与2x3 排针BOOT管脚4相连，2x3排针BOOT1管脚1、2都接+3.3V，2x3排针 BOOT管脚5、6都接地；
单片机控制芯片U1的16脚、38脚、51脚、61脚、71脚、83脚、 94脚、107脚、120脚、130脚和143脚接地。单片机控制芯片U1的17 脚、52脚、39脚、62脚、72脚、84脚、95脚、108脚、121脚、131脚和144脚接+3.3V。单片机控制芯片U1在文中未提到的管脚置空；
所述的单片机控制芯片U1是整个控制驱动模块的核心控制芯片，是基于32位的ARM Cortex-M3处理器STM32F103ZET6。
通信模块电路包括第一通讯控制芯片U4、第二通讯控制芯片U5、第二电阻R2、第三电阻R3、第二十三电容C23、第二十四电容C24、第一三脚接线端子H1、第二三脚接线端子H2；第一通讯控制芯片U4、第二通讯控制芯片U5的型号为MAX485；
第一通讯控制芯片U4的1脚与单片机控制芯片U1的101脚相连接， 4脚与单片机控制芯片U1的102脚相连接，第一通讯控制芯片U4的2脚、3脚都与+3.3V相连，第一通讯控制芯片U4的8脚与第二十三电容C23 的一端连接并接+3.3V电源、第二十三电容C23的另一端与电源地相连，第一通讯控制芯片U4的5脚接地，第一通讯控制芯片U4的6脚与第一三脚接线端子H1的1脚相连、第二电阻R2的一端相连，第一通讯控制芯片U4的7脚与第一三脚接线端子H1的3脚、第二电阻R2的另一端相连，第一三脚接线端子H1的2脚接地；
第二通讯控制芯片U5的1脚与单片机控制芯片U1的36脚相连接， 4脚与单片机控制芯片U1的37脚相连接，第二通讯控制芯片U5的2脚、 3脚都与电源地相连，第二通讯控制芯片U5的8脚与第二十四电容C24 的一端连接并接+3.3V电源、第二十四电容C24的另一端与电源地相连，第二通讯控制芯片U5的5脚接地，第二通讯控制芯片U5的6脚与第二三脚接线端子H2的1脚相连、第三电阻R3的一端相连，第二通讯控制芯片U5的7脚与第二三脚接线端子H2的3脚、第三电阻R3的另一端相连，第二三脚接线端子H1的2脚接地；
电机驱动芯片使用型号为IBT-2的电机驱动模块，系统通过输入PWM 波和使能控制信号，控制电机调速和正反转,包括第一电机驱动模块M1，第二电机驱动模块M2，第三电机驱动模块M3，第四电机驱动模块M4，第五电机驱动模块M5，第六电机驱动模块M6。
第一电机驱动模块M1的1脚、第一电机驱动模块M1的2脚与单片机控制芯片U1的42脚相连，第一电机驱动模块M1的3脚与单片机控制芯片U1的1脚相连，第一电机驱动模块M1的4脚与单片机控制芯片U1 的2脚相连；第一电机驱动模块M1的7脚与电源+5V相连，第一电机驱动模块M1的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空。
第二电机驱动模块M2的1脚、第一电机驱动模块M2的2脚与单片机控制芯片U1的43脚相连，第二电机驱动模块M2的3脚与单片机控制芯片U1的1脚相连，第二电机驱动模块M2的4脚与单片机控制芯片U1 的2脚相连；第二电机驱动模块M2的7脚与电源+5V相连，第二电机驱动模块M2的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空。
第三电机驱动模块M3的1脚、第三电机驱动模块M3的2脚与单片机控制芯片U1的136脚相连，第三电机驱动模块M3的3脚与单片机控制芯片U1的3脚相连，第三电机驱动模块M3的4脚与单片机控制芯片 U1的4脚相连；第三电机驱动模块M3的7脚与电源+5V相连，第三电机驱动模块M3的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空。
第四电机驱动模块M4的1脚、第四电机驱动模块M4的2脚与单片机控制芯片U1的137脚相连，第四电机驱动模块M4的3脚与单片机控制芯片U1的5脚相连，第四电机驱动模块M4的4脚与单片机控制芯片 U1的58脚相连；第四电机驱动模块M4的7脚与电源+5V相连，第四电机驱动模块M4的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空。
第五电机驱动模块M5的1脚、第五电机驱动模块M5的2脚与单片机控制芯片U1的139脚相连，第五电机驱动模块M5的3脚与单片机控制芯片U1的3脚相连，第五电机驱动模块M5的4脚与单片机控制芯片 U1的4脚相连；第五电机驱动模块M5的7脚与电源+5V相连，第五电机驱动模块M5的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空。
第六电机驱动模块M6的1脚和第六电机驱动模块M6的2脚与单片机控制芯片U1的140脚相连，第六电机驱动模块M6的3脚与单片机控制芯片U1的5脚相连，第六电机驱动模块M6的4脚与单片机控制芯片 U1的58脚相连；第六电机驱动模块M6的7脚与电源+5V相连，第六电机驱动模块M6的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空。
检测模块电路包括姿态传感器模块MPU6050、深度传感器液位变送器、磁力计HMC5883l、接线端子H2；其中姿态传感器模块MPU6050的SDA 接单片机控制芯片U1的70脚，SCL脚接单片机控制芯片U1的69脚，VCC 脚接+3.3V，GND脚接地，姿态传感器模块的剩余引脚架空。磁力计
HMC5883l的1脚接+3.3V，2脚接地，3脚接单片机控制芯片U1的114脚， 4脚接单片机控制芯片U1的115脚，5脚架空。接线端子H2的1脚接24V， 2脚与单片机控制芯片U1的41脚、第四电阻R4的一端相连，第四电阻 R4的另一端接地；其中接线端子H-2与液位变送器相连。
控制驱动模块通过通信模块接收来自检测模块的姿态和深度信息，再通过通信模块将水下直升机的姿态和深度信息发送给手机显示，用于显示水下直升机的信息；同时控制驱动模块接收来自通信模块中参数设定单元输入设定的的姿态和深度信息，并将该信息与检测模块的姿态和深度信息做比较，并采用单闭环PID控制算法，计算出当前的电机驱动量后调节电机转速，最终实现水下直升机的水下悬停和五个自由度的定深行走；
通信模块中的参数设定单元输入设定的的姿态和深度信息，控制驱动模块将输入的目标姿态和深度信息发送给控制驱动模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据设定的的姿态和深度信息和当前姿态和深度信息计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波和电机的正反转驱动电机控制电机转速；
一种基于手机控制的水下直升机的控制方法，具体包括如下步骤：
步骤1.对检测模块、控制模块、电机驱动模块和通信模块进行初始化；
步骤2.手机上位机通信模块中的参数设定单元输入设定的的姿态和深度信息，通信模块将输入的目标姿态和深度信息发送给控制模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据水下直升机的目标姿态和深度和当前姿态和深度计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM 波驱动电机驱动模块控制电机转速；
其中MCU控制电路具体工作如下：
打开MCU控制电路中的MCU的定时器和中断，输出设定的PWM波，通过电机驱动模块电路驱动电机，使水下直升机运动；同时检测模块开始测量水下直升机的姿态和深度，通过互补滤波姿态解算，将实时数据传送给MCU控制电路；同时MCU控制电路通过通信模块读取手机通信模块发送的水下直升机目标姿态和深度信息，并对水下直升机目标姿态和深度信息与其当前目标姿态和深度进行比较，使用模糊PID算法对水下直升机进行稳定控制；MCU控制电路根据实时检测模块发送的水下直升机的目标姿态和深度信息，并根据收到的水下直升机目标姿态和深度信息随时更改模糊PID控制算法数据和控制水下直升机的运动；
步骤3.检测模块时刻检测水下直升机的姿态和深度信息，并将水下直升机的姿态和深度信息发送给控制模块，控制模块再通过通信模块电路将水下直升机的姿态和深度信息发送给手机通信模块；手机通信模块中的角度显示单元显示水下直升机的姿态和深度信息。并通过手机蓝牙软件进行姿态调整和定深。
本发明有益效果如下：
(1)传统经验了解到现有的水下机器人有无缆水下机器人(AUV)和遥控水下机器人(ROV)。本课题参照这两种系统，根据现有的材料，开发出控制简单，更加直观，兼具ROV机动灵活和AUV自主性强的特点的水下直升机。
(2)采用手机蓝牙通信控制水下直升机，不需要其他专用上位机进行控制，简单便捷。能够实现悬停定深，直升直降，自由度多；可以有较大的运动空间。
附图说明
图1是本发明的模块电路连接示意图；
图2(a)是本发明的电源模块电路中5V电源管理芯片示意图；
图2(b)是本发明的电源模块电路3.3V电源管理芯片示意图；
图3(a)是本发明的控制模块电路中处理器芯片示意图；
图3(b)是本发明的控制模块电路电路局部示意图；
图4(a)是本发明的通信模块电路电路局部示意图；
图4(b)是本发明的通信模块电路电路局部示意图；
图5是本发明的电机驱动模块局部示意图；
图6(a)是本发明的检测模块中的姿态传感器电路局部示意图。
图6(b)是本发明的检测模块磁力计电路局部示意图。
图6(c)是本发明的检测模块深度传感器模块电路局部示意图。
图7是本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种基于手机蓝牙控制的水下直升机电路，包括控制模块电路、电源模块电路、通信模块电路、电机驱动模块与检测模块电路；
电源模块电路为控制模块电路、通信模块电路、电机驱动模块与检测模块电路供电，通信模块电路的输出端与控制模块电路的输入端相连接，控制模块电路的输出端与电机驱动模块与检测模块电路的输入端相连接。
如图2(a)、2(b)所示，电源模块电路包括12V转换为5V电路和 5V转换为3.3V电路。其中12V转换为5V电路包括第一电源管理芯片U3、第五滤波电容C5的、第六滤波电容C6、第七滤波电容C7、第八滤波电容C8、一个按钮开关；电源管理芯片U3型号为AM1117(+5V)；
第一电源管理芯片U3的1脚、与第五滤波电容C5的负极、第七滤波电容C7的负极、第六滤波电容C6的一端、第八滤波电容C8的一端连接并联电源地；第一电源管理芯片3脚、第六滤波电容C6的另一端、第五滤波电容C5的正极通过按钮开关接+12V；第一电源管理芯片的2脚与第七滤波电容C7的正极、第八滤波电容C8的另一端相连并作为+5V直流电源；
5V电压转换为3.3V电路包括第二电源管理芯片U2、第一滤波电容 C1的、第二滤波电容C2、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4、一个熔断丝F1；所述的第二电源管理芯片型号为AM1117(+3.3V)；
第二电源管理芯片U2的1脚、第一滤波电容C1的负极、第三滤波电容C3的负极和、第二滤波电容C2的一端、第四滤波电容C4的一端均与电源地连接；第二电源管理芯片U2的3脚与第二滤波电容C2的一端、第一滤波电容C1的正极、熔断丝F1的一端，熔断丝F1的另一端与+5V 直流电源输出端连接；第二电源管理芯片U2与第三滤波电容C3的正极、第四滤波电容C4的另一端相连，并作为输出直流电源3.3V；
如图3(a)、3(b)所示，控制模块电路包括单片机控制芯片U1、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第三十电阻R30、第三十一电阻R31、第二十九滤波电容C29、第三十滤波电容C30、第三十一滤波电容C31、第三十二滤波电容C32、第三十三滤波电容C33、第一开关按键S1、第一晶振Y1、第二晶振Y2、电池BAT1、2x3排针BOOT；
单片机控制芯片U1的25脚与第三十三滤波电容C33的一端、第十六电阻R16的一端、第一开关按键S1的一端相连；第十六电阻R16的另一端与+3.3V相连，第三十三滤波电容C33的另一端第一开关按键S1的一端连接并联电源地；单片机控制芯片U1的23脚与第二晶振Y2的一端、第十三电阻R13的一端、第三十一滤波电容C31的一端相连；单片机控制芯片U1的24脚与第十三电阻R13的另一端、第二晶振Y2的另一端、第三十二滤波电容C32的一端相连；第三十一滤波电容C31另一端、第三十二滤波电容C32的另一端都与电源地相连。
单片机控制芯片U1的6脚与第十四电阻R14的一端、第十五电阻R15 的一端相连接；第十四电阻R14的另一端接+3.3V，第十五电阻R15的另一端接电池正极，电池负极接地；单片机控制芯片U1的8脚与第十一电阻R11的一端相连，第一晶振Y1的一端与第十一电阻R11的另一端、第二十九滤波电容C29的一端相连；单片机控制芯片U1的9脚与第十二电阻R12的一端相连，第二晶振Y2的另一端与第三十滤波电容C30的一端相连；第三十滤波电容C30、第二十九滤波电容C29的另一端都与电源地相连。
单片机控制芯片U1的48脚通过第三十电阻R30与2x3排针BOOT1 管脚3相连，单片机控制芯片U1的138脚通过第三十一电阻R31与2x3 排针BOOT管脚4相连，2x3排针BOOT1管脚1、2都接+3.3V，2x3排针 BOOT管脚5、6都接地；
单片机控制芯片U1的16脚、38脚、51脚、61脚、71脚、83脚、 94脚、107脚、120脚、130脚和143脚接地。单片机控制芯片U1的17 脚、52脚、39脚、62脚、72脚、84脚、95脚、108脚、121脚、131脚和144脚接+3.3V。单片机控制芯片U1所有引脚皆用连个30x2排针引出；单片机控制芯片U1的其它管脚置空；
所述的单片机控制芯片U1是整个控制驱动模块的核心控制芯片，是基于32位的ARM Cortex-M3处理器STM32F103ZET6。
如图4(a)、4(b)所示，通信模块电路包括第一通讯控制芯片U4、第二通讯控制芯片U5、第二电阻R2、第三电阻R3、第二十三电容C23、第二十四电容C24、第一三脚接线端子H1、第二三脚接线端子H2；第一通讯控制芯片U4、第二通讯控制芯片U5的型号为MAX485；
第一通讯控制芯片U4的1脚与单片机控制芯片U1的101脚相连接， 4脚与单片机控制芯片U1的102脚相连接，第一通讯控制芯片U4的2脚、 3脚都与+3.3V相连，第一通讯控制芯片U4的8脚与第二十三电容C23 的一端连接并接+3.3V电源、第二十三电容C23的另一端与电源地相连，第一通讯控制芯片U4的5脚接地，第一通讯控制芯片U4的6脚与第一三脚接线端子H1的1脚相连、第二电阻R2的一端相连，第一通讯控制芯片U4的7脚与第一三脚接线端子H1的3脚、第二电阻R2的另一端相连，第一三脚接线端子H1的2脚接地；
第二通讯控制芯片U5的1脚与单片机控制芯片U1的36脚相连接， 4脚与单片机控制芯片U1的37脚相连接，第二通讯控制芯片U5的2脚、 3脚都与电源地相连，第二通讯控制芯片U5的8脚与第二十四电容C24 的一端连接并接+3.3V电源、第二十四电容C24的另一端与电源地相连，第二通讯控制芯片U5的5脚接地，第二通讯控制芯片U5的6脚与第二三脚接线端子H2的1脚相连、第三电阻R3的一端相连，第二通讯控制芯片U5的7脚与第二三脚接线端子H2的3脚、第三电阻R3的另一端相连，第二三脚接线端子H1的2脚接地；
如图5所示，电机驱动芯片使用型号为IBT-2的电机驱动模块，系统通过输入PWM波和使能控制信号，控制电机调速和正反转,包括第一电机驱动模块M1，第二电机驱动模块M2，第三电机驱动模块M3，第四电机驱动模块M4，第五电机驱动模块M5，第六电机驱动模块M6。
第一电机驱动模块M1的1脚、第一电机驱动模块M1的2脚与单片机控制芯片U1的42脚相连，第一电机驱动模块M1的3脚与单片机控制芯片U1的1脚相连，第一电机驱动模块M1的4脚与单片机控制芯片U1 的2脚相连；第一电机驱动模块M1的7脚与电源+5V相连，第一电机驱动模块M1的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空。
第二电机驱动模块M2的1脚、第一电机驱动模块M2的2脚与单片机控制芯片U1的43脚相连，第二电机驱动模块M2的3脚与单片机控制芯片U1的1脚相连，第二电机驱动模块M2的4脚与单片机控制芯片U1 的2脚相连；第二电机驱动模块M2的7脚与电源+5V相连，第二电机驱动模块M2的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空。
第三电机驱动模块M3的1脚、第三电机驱动模块M3的2脚与单片机控制芯片U1的136脚相连，第三电机驱动模块M3的3脚与单片机控制芯片U1的3脚相连，第三电机驱动模块M3的4脚与单片机控制芯片 U1的4脚相连；第三电机驱动模块M3的7脚与电源+5V相连，第三电机驱动模块M3的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空。
第四电机驱动模块M4的1脚、第四电机驱动模块M4的2脚与单片机控制芯片U1的137脚相连，第四电机驱动模块M4的3脚与单片机控制芯片U1的5脚相连，第四电机驱动模块M4的4脚与单片机控制芯片 U1的58脚相连；第四电机驱动模块M4的7脚与电源+5V相连，第四电机驱动模块M4的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空。
第五电机驱动模块M5的1脚、第五电机驱动模块M5的2脚与单片机控制芯片U1的139脚相连，第五电机驱动模块M5的3脚与单片机控制芯片U1的3脚相连，第五电机驱动模块M5的4脚与单片机控制芯片 U1的4脚相连；第五电机驱动模块M5的7脚与电源+5V相连，第五电机驱动模块M5的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空。
第六电机驱动模块M6的1脚和第六电机驱动模块M6的2脚与单片机控制芯片U1的140脚相连，第六电机驱动模块M6的3脚与单片机控制芯片U1的5脚相连，第六电机驱动模块M6的4脚与单片机控制芯片U1的58脚相连；第六电机驱动模块M6的7脚与电源+5V相连，第六电机驱动模块M6的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空。
如图6(a)、6(b)、6(c)所示，检测模块电路包括姿态传感器模块MPU6050、深度传感器液位变送器、磁力计HMC5883l、接线端子H2；其中姿态传感器模块MPU6050的SDA接单片机控制芯片U1的70脚，SCL 脚接单片机控制芯片U1的69脚，VCC脚接+3.3V，GND脚接地，姿态传感器模块的剩余引脚架空。磁力计HMC5883l的1脚接+3.3V，2脚接地， 3脚接单片机控制芯片U1的114脚，4脚接单片机控制芯片U1的115脚， 5脚架空。接线端子H2的1脚接24V，2脚与单片机控制芯片U1的41、第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端接地；其中接线端子H-2 与液位变送器相连。
如图7所示，水下直升机的控制方法，具体包括如下步骤：
步骤1.对检测模块、控制模块、电机驱动模块和通信模块进行初始化；
步骤2.手机上位机通信模块中的参数设定单元输入设定的的姿态和深度信息，通信模块将输入的目标姿态和深度信息发送给控制模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据水下直升机的目标姿态和深度和当前姿态和深度计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM 波驱动电机驱动模块控制电机转速；
其中MCU控制电路具体工作如下：
打开MCU控制电路中的MCU的定时器和中断，输出设定的PWM波，通过电机驱动模块电路驱动电机，使水下直升机运动；同时检测模块开始测量水下直升机的姿态和深度，通过互补滤波姿态解算，将实时数据传送给MCU控制电路；同时MCU控制电路通过通信模块读取手机通信模块发送的水下直升机目标姿态和深度信息，并对水下直升机目标姿态和深度信息与其当前目标姿态和深度进行比较，使用模糊PID算法对睡醒直升机进行稳定控制；MCU控制电路根据实时检测模块发送的水下直升机的目标姿态和深度信息，并根据收到的水下直升机目标姿态和深度信息随时更改模糊PID控制算法数据和控制水下直升机的运动；
步骤3.检测模块时刻检测水下直升机的姿态和深度信息，并将水下直升机的姿态和深度信息发送给控制模块，控制模块再通过通信模块电路将水下直升机的姿态和深度信息发送给手机通信模块；手机通信模块中的角度显示单元显示水下直升机的姿态和深度信息。并通过手机蓝牙软件进行姿态调整和定深。
Claims (2)
1.一种基于手机控制的水下直升机，其特征在于：包括电源模块电路、控制模块电路、通信模块电路、电机驱动模块与检测模块电路；
电源模块电路为控制模块电路、通信模块电路和电机驱动模块与检测模块电路供电，通信模块电路的输出端与控制模块电路的输入端相连接，控制模块电路的输出端与电机驱动模块与检测模块电路的输入端相连接；
电源模块电路包括12V转换为5V电路和5V转换为3.3V电路；
其中12V转换为5V电路包括第一电源管理芯片U3、第五滤波电容C5的、第六滤波电容C6、第七滤波电容C7、第八滤波电容C8、一个按钮开关；电源管理芯片U3型号为AM1117，+5V；
第一电源管理芯片U3的1脚、与第五滤波电容C5的负极、第七滤波电容C7的负极、第六滤波电容C6的一端、第八滤波电容C8的一端连接并联电源地；第一电源管理芯片3脚、第六滤波电容C6的另一端、第五滤波电容C5的正极通过按钮开关接+12V；第一电源管理芯片的2脚与第七滤波电容C7的正极、第八滤波电容C8的另一端相连并作为+5V直流电源；
5V电压转换为3.3V电路包括第二电源管理芯片U2、第一滤波电容C1的、第二滤波电容C2、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4、一个熔断丝F1；所述的第二电源管理芯片型号为AM1117，+3.3V；
第二电源管理芯片U2的1脚、第一滤波电容C1的负极、第三滤波电容C3的负极和、第二滤波电容C2的一端、第四滤波电容C4的一端均与电源地连接；第二电源管理芯片U2的3脚与第二滤波电容C2的一端、第一滤波电容C1的正极、熔断丝F1的一端，熔断丝F1的另一端与+5V直流电源输出端连接；第二电源管理芯片U2的2脚与第三滤波电容C3的正极、第四滤波电容C4的另一端相连，并作为输出直流电源3.3V；
控制模块电路包括单片机控制芯片U1、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第三十电阻R30、第三十一电阻R31、第二十九滤波电容C29、第三十滤波电容C30、第三十一滤波电容C31、第三十二滤波电容C32、第三十三滤波电容C33、第一开关按键S1、第一晶振Y1、第二晶振Y2、电池BAT1、2x3排针BOOT；
单片机控制芯片U1的25脚与第三十三滤波电容C33的一端、第十六电阻R16的一端、第一开关按键S1的一端相连；第十六电阻R16的另一端与+3.3V相连，第三十三滤波电容C33的另一端第一开关按键S1的一端连接并联电源地；单片机控制芯片U1的23脚与第二晶振Y2的一端、第十三电阻R13的一端、第三十一滤波电容C31的一端相连；单片机控制芯片U1的24脚与第十三电阻R13的另一端、第二晶振Y2的另一端、第三十二滤波电容C32的一端相连；第三十一滤波电容C31另一端、第三十二滤波电容C32的另一端都与电源地相连；
单片机控制芯片U1的6脚与第十四电阻R14的一端、第十五电阻R15的一端相连接；第十四电阻R14的另一端接+3.3V，第十五电阻R15的另一端接电池正极，电池负极接地；单片机控制芯片U1的8脚与第十一电阻R11的一端相连，第一晶振Y1的一端与第十一电阻R11的另一端、第二十九滤波电容C29的一端相连；单片机控制芯片U1的9脚与第十二电阻R12的一端相连，第二晶振Y2的另一端与第三十滤波电容C30的一端相连；第三十滤波电容C30、第二十九滤波电容C29的另一端都与电源地相连；
单片机控制芯片U1的48脚通过第三十电阻R30与2x3排针BOOT1管脚3相连，单片机控制芯片U1的138脚通过第三十一电阻R31与2x3排针BOOT管脚4相连，2x3排针BOOT1管脚1、2都接+3.3V，2x3排针BOOT管脚5、6都接地；
单片机控制芯片U1的16脚、38脚、51脚、61脚、71脚、83脚、94脚、107脚、120脚、130脚和143脚接地；单片机控制芯片U1的17脚、52脚、39脚、62脚、72脚、84脚、95脚、108脚、121脚、131脚和144脚接+3.3V；单片机控制芯片U1在文中未提到的管脚置空；
所述的单片机控制芯片U1是整个控制驱动模块的核心控制芯片，是基于32位的ARMCortex-M3处理器STM32F103ZET6；
通信模块电路包括第一通讯控制芯片U4、第二通讯控制芯片U5、第二电阻R2、第三电阻R3、第二十三电容C23、第二十四电容C24、第一三脚接线端子H1、第二三脚接线端子H2；第一通讯控制芯片U4、第二通讯控制芯片U5的型号为MAX485；
第一通讯控制芯片U4的1脚与单片机控制芯片U1的101脚相连接，4脚与单片机控制芯片U1的102脚相连接，第一通讯控制芯片U4的2脚、3脚都与+3.3V相连，第一通讯控制芯片U4的8脚与第二十三电容C23的一端连接并接+3.3V电源、第二十三电容C23的另一端与电源地相连，第一通讯控制芯片U4的5脚接地，第一通讯控制芯片U4的6脚与第一三脚接线端子H1的1脚相连、第二电阻R2的一端相连，第一通讯控制芯片U4的7脚与第一三脚接线端子H1的3脚、第二电阻R2的另一端相连，第一三脚接线端子H1的2脚接地；
第二通讯控制芯片U5的1脚与单片机控制芯片U1的36脚相连接，4脚与单片机控制芯片U1的37脚相连接，第二通讯控制芯片U5的2脚、3脚都与电源地相连，第二通讯控制芯片U5的8脚与第二十四电容C24的一端连接并接+3.3V电源、第二十四电容C24的另一端与电源地相连，第二通讯控制芯片U5的5脚接地，第二通讯控制芯片U5的6脚与第二三脚接线端子H2的1脚相连、第三电阻R3的一端相连，第二通讯控制芯片U5的7脚与第二三脚接线端子H2的3脚、第三电阻R3的另一端相连，第二三脚接线端子H1的2脚接地；
电机驱动芯片使用型号为IBT-2的电机驱动模块，系统通过输入PWM波和使能控制信号，控制电机调速和正反转,包括第一电机驱动模块M1，第二电机驱动模块M2，第三电机驱动模块M3，第四电机驱动模块M4，第五电机驱动模块M5，第六电机驱动模块M6；
第一电机驱动模块M1的1脚、第一电机驱动模块M1的2脚与单片机控制芯片U1的42脚相连，第一电机驱动模块M1的3脚与单片机控制芯片U1的1脚相连，第一电机驱动模块M1的4脚与单片机控制芯片U1的2脚相连；第一电机驱动模块M1的7脚与电源+5V相连，第一电机驱动模块M1的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空；
第二电机驱动模块M2的1脚、第一电机驱动模块M2的2脚与单片机控制芯片U1的43脚相连，第二电机驱动模块M2的3脚与单片机控制芯片U1的1脚相连，第二电机驱动模块M2的4脚与单片机控制芯片U1的2脚相连；第二电机驱动模块M2的7脚与电源+5V相连，第二电机驱动模块M2的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空；
第三电机驱动模块M3的1脚、第三电机驱动模块M3的2脚与单片机控制芯片U1的136脚相连，第三电机驱动模块M3的3脚与单片机控制芯片U1的3脚相连，第三电机驱动模块M3的4脚与单片机控制芯片U1的4脚相连；第三电机驱动模块M3的7脚与电源+5V相连，第三电机驱动模块M3的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空；
第四电机驱动模块M4的1脚、第四电机驱动模块M4的2脚与单片机控制芯片U1的137脚相连，第四电机驱动模块M4的3脚与单片机控制芯片U1的5脚相连，第四电机驱动模块M4的4脚与单片机控制芯片U1的58脚相连；第四电机驱动模块M4的7脚与电源+5V相连，第四电机驱动模块M4的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空；
第五电机驱动模块M5的1脚、第五电机驱动模块M5的2脚与单片机控制芯片U1的139脚相连，第五电机驱动模块M5的3脚与单片机控制芯片U1的3脚相连，第五电机驱动模块M5的4脚与单片机控制芯片U1的4脚相连；第五电机驱动模块M5的7脚与电源+5V相连，第五电机驱动模块M5的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空；
第六电机驱动模块M6的1脚和第六电机驱动模块M6的2脚与单片机控制芯片U1的140脚相连，第六电机驱动模块M6的3脚与单片机控制芯片U1的5脚相连，第六电机驱动模块M6的4脚与单片机控制芯片U1的58脚相连；第六电机驱动模块M6的7脚与电源+5V相连，第六电机驱动模块M6的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空；
检测模块电路包括姿态传感器模块MPU6050、深度传感器液位变送器、磁力计HMC5883l、接线端子H2；其中姿态传感器模块MPU6050的SDA接单片机控制芯片U1的70脚，SCL脚接单片机控制芯片U1的69脚，VCC脚接+3.3V，GND脚接地，姿态传感器模块的剩余引脚架空；磁力计HMC5883l的1脚接+3.3V，2脚接地，3脚接单片机控制芯片U1的114脚，4脚接单片机控制芯片U1的115脚，5脚架空；接线端子H2的1脚接24V，2脚与单片机控制芯片U1的41脚、第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端接地；其中接线端子H-2与液位变送器相连；控制驱动模块通过通信模块接收来自检测模块的姿态和深度信息，再通过通信模块将水下直升机的姿态和深度信息发送给手机显示，用于显示水下直升机的信息；同时控制驱动模块接收来自通信模块中参数设定单元输入设定的的姿态和深度信息，并将该信息与检测模块的姿态和深度信息做比较，并采用单闭环PID控制算法，计算出当前的电机驱动量后调节电机转速，最终实现水下直升机的水下悬停和五个自由度的定深行走；
通信模块中的参数设定单元输入设定的的姿态和深度信息，控制驱动模块将输入的目标姿态和深度信息发送给控制驱动模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据设定的的姿态和深度信息和当前姿态和深度信息计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波和电机的正反转驱动电机控制电机转速。
2.根据权利要求1所述的一种基于手机控制的水下直升机的控制方法，具体包括如下步骤：
步骤1.对检测模块、控制模块、电机驱动模块和通信模块进行初始化；
步骤2.手机上位机通信模块中的参数设定单元输入设定的的姿态和深度信息，通信模块将输入的目标姿态和深度信息发送给控制模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据水下直升机的目标姿态和深度和当前姿态和深度计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动电机驱动模块控制电机转速；
其中MCU控制电路具体工作如下：
打开MCU控制电路中的MCU的定时器和中断，输出设定的PWM波，通过电机驱动模块电路驱动电机，使水下直升机运动；同时检测模块开始测量水下直升机的姿态和深度，通过互补滤波姿态解算，将实时数据传送给MCU控制电路；同时MCU控制电路通过通信模块读取手机通信模块发送的水下直升机目标姿态和深度信息，并对水下直升机目标姿态和深度信息与其当前目标姿态和深度进行比较，使用模糊PID算法对水下直升机进行稳定控制；MCU控制电路根据实时检测模块发送的水下直升机的目标姿态和深度信息，并根据收到的水下直升机目标姿态和深度信息随时更改模糊PID控制算法数据和控制水下直升机的运动；
步骤3.检测模块时刻检测水下直升机的姿态和深度信息，并将水下直升机的姿态和深度信息发送给控制模块，控制模块再通过通信模块电路将水下直升机的姿态和深度信息发送给手机通信模块；手机通信模块中的角度显示单元显示水下直升机的姿态和深度信息；并通过手机蓝牙软件进行姿态调整和定深。
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