CN204355273U

CN204355273U - 一种基于单片机的多功能微型四轴飞行器

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Publication number: CN204355273U
Application number: CN201420854869.8U
Authority: CN
Inventors: 黄和悦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2024-12-30

Abstract

本实用新型涉及嵌入式技术及飞行器技术领域，特别是一种基于单片机的多功能微型四轴飞行器。它包括机身、安装于机身的控制电路、设于机身四个角的电机及旋翼，所述的机身为PCB电路板制成，所述的控制电路直接安装于PCB电路板上，所述的控制电路包括MCU，该MCU分别连接IIC电平转换电路、电源电路、ISP下载电路、PWM引脚引出口、MOS管驱动电路、AD口、2.4G接收机插口、USB转串口电路，所述的IIC电平转换电路分别连接姿态检测模块及IIC引脚引出口，所述的USB转串口电路连接串口引出口。本实用新型既是四轴飞行器，又可以作为有着标准接口的学习板；既可以作为微型四轴飞行器，也可以作为大型四轴飞行器的控制板。实现了多功能的复合，有利于从学习到实践应用的转换，避免了重复投资和重复学习。

Description

一种基于单片机的多功能微型四轴飞行器

技术领域

本实用新型涉及嵌入式技术及飞行器技术领域，特别是一种基于单片机的多功能微型四轴飞行器。

背景技术

四轴飞行器是一种很早就出现了的飞行器模式。主题结构是在一个“十”字形或者“X”字形的机架的四脚上安装电机，并通过控制电机的转速来控制飞行器的动作。

事实上，四轴飞行器的结构使得对其的控制无需像传统的直升机，分别控制主旋翼和副旋翼，且要控制其方向，角度等，而只需控制转速，因此比较易于制作和维护；同时，由于其升力由不在一个轴上面的四个旋翼提供，所以稳定性和抗风性也比较高。因此，其比较适合作为航拍的载具，以及恶劣环境下的救援。

但是自Bré guet - R ichet于1907年第一次制作出了四轴飞行器之后，其实用一直比较缓慢，因为四轴飞行器的控制对于算法和MCU的要求比较高，而当时的微处理器技术还不够先进，因此四轴飞行器未能得到大规模的应用。

而近年来，微处理器的发展极为快速，好的处理器层出不穷，因此四轴飞行器也得到了很大的发展。我们选用的ATmega328P单片机是Atmel公司推出的较强的一款单片机，指令速度达到1Mps，自带1K的EEPROM存储空间，而且支持从1.8-5.5V的电压范围，各个引脚均能通过较大电流。无论是计算能力还是稳定性，存储方便性上，都是比较适合作为四轴飞行器MCU的。

而微型四轴飞行器，其实就是缩小版的四轴飞行器，一般大小在10cm*10cm以内。主要是利用了空心杯电机的小体积和高转速。

由于其体积小，成本低，故很适合作为四轴算法的验证机，以及学习四轴飞行器和自动控制原理的教学实验板。

而当前的微型四轴飞行器，主要存在的问题有三个，第一，只能控制本身的飞行，当使用者想控制较大的四轴，实现航拍等功能的时候，则必须更换控制板，造成重复投资；第二，由于体积小，故常常采用非标准的ISP接口，给下载程序，学习使用带来较多不便；第三，没有引出AD采样的引脚，只能作为学习数字电路知识的学习板，而不能作为学习模拟电路的学习板。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于单片机的多功能微型四轴飞行器。

本实用新型的目的是通过如下途径实现的：一种基于单片机的多功能微型四轴飞行器，它包括机身、安装于机身的控制电路、设于机身四个角的电机及旋翼，所述的机身为PCB电路板制成，所述的控制电路直接安装于PCB电路板上，所述的控制电路包括MCU，该MCU分别连接IIC电平转换电路、电源电路、ISP下载电路、PWM引脚引出口、MOS管驱动电路、AD口、2.4G接收机插口、USB转串口电路，所述的IIC电平转换电路分别连接姿态检测模块及IIC引脚引出口，所述的USB转串口电路连接串口引出口。

　　作为本方案的进一步优化，所述的机身的四个角上分别设有一安装孔。

　作为本方案的进一步优化，所述的MCU型号为ATmega328P。

　　作为本方案的进一步优化，所述的姿态检测模块由MPU6050陀螺仪，mag3110磁强计及MS5611气压计连接构成。

　　作为本方案的进一步优化，所述的IIC电平转换电路由N沟道型MOS管分别通过2.2K上拉电阻连接3.3V电源，通过10K上拉电阻连接5V电源搭建而成。

本实用新型一种基于单片机的多功能微型四轴飞行器，其控制电路直接安装于PCB电路板上，从而从外形上保证了整机的轻便实用；在电路上，增加了10针的ISP接口和AD采样口，使得本实用新型不仅可以作为一个微型四轴飞行器，也可以作为一个ATmega328P单片机的学习板。同时，本实用新型既包括了驱动微型四轴的空心杯电机的MOS管驱动电路，也包括了驱动大型四轴的无刷电机的PWM波引脚的引出。所以，当用户从微型四轴飞行器学习到了足够的知识，想要使用大型四轴飞行器实现航拍等功能的时候，本实用新型也可以胜任。另外，在电路设计上，本实用新型充分考虑了ATmega328P单片机的5V电平与传感器的3.3V电平的转换，用MOS管搭建了转换电路，从而能更稳定的采集数据，并可从IIC引出口处，扩展更多的传感器。

总之，本实用新型既是四轴飞行器，又可以作为有着标准接口的学习板；既可以作为微型四轴飞行器，也可以作为大型四轴飞行器的控制板。实现了多功能的复合，有利于从学习到实践应用的转换，避免了重复投资和重复学习。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明：

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为本实用新型中姿态检测模块5电路结构图；

图3为本实用新型中IIC电平转换电路6电路结构图；

图中，机身1、旋翼2、安装孔3 、IIC引脚引出口4、姿态检测模块5、IIC电平转换电路6、电源电路7、ISP下载电路8、PWM引脚引出口9、MCU10、MOS管驱动电路11、AD口12、2.4G接收机插口13、串口引出口14、USB转串口电路15、mag3110磁强计16 、MPU6050陀螺仪17、MS5611气压计18、N沟道型MOS管19、10K上拉电阻20、2.2K上拉电阻21。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型一种基于单片机的多功能微型四轴飞行器，它包括机身1、安装于机身1的控制电路、设于机身1四个角的电机及旋翼2，所述的机身1为PCB电路板制成，所述的机身1的四个角上分别设有一安装孔3，安装孔3的四个孔心分布在一个45mm*45mm的正方形的四个顶点上。所述的控制电路直接安装于PCB电路板上，所述的控制电路包括MCU10，该MCU10分别连接IIC电平转换电路6、电源电路7、ISP下载电路8、PWM引脚引出口9、MOS管驱动电路11、AD口12、2.4G接收机插口13、USB转串口电路15，所述的IIC电平转换电路6分别连接姿态检测模块5及IIC引脚引出口4，所述的USB转串口电路15连接串口引出口14。

所述的MCU10型号为ATmega328P;ISP下载电路8使用Atmel标准的10针ISP下载口;PWM引脚引出口9引出的引脚是ATmega单片机的PD3，PB1，PB2，PB3引脚;串口引出口14的几个插针的排列顺序按照arduino的标准； AD口12引出的两个引脚是ATmega328P单片机的PC0，PC1引脚； USB转串口电路15使用的是MicroUSB口；

具体使用中，由于传统的AVR系列单片机的ISP下载器都是10针的，所以对于调试和下载比较有利。因此能更加方便我们的使用。实际使用中，可以通过此接口方便的对我们的微型四轴飞行器进行固件更新。串口引出口14的几个插针的排列顺序按照arduino的标准；arduino是一个国际知名的AVR系列单片机（ATmega328P属于AVR系列）的标准，其电路标准与一般的AVR系列不尽相同。而串口引出口14的几个插针的排列顺序按照arduino的标准，使得本实用新型在使用中可以作为arduino的下载器使用，更加丰富了本实用新型的应用范围。实际使用中，本实用新型可以连接各种arduino设备，并进行交互。

如图2所示，所述的姿态检测模块5由MPU6050陀螺仪17，mag3110磁强计16及MS5611气压计18连接构成。如图3所示，所述的IIC电平转换电路6由N沟道型MOS管19分别通过2.2K上拉电阻21连接3.3V电源，过10K上拉电阻20连接5V电源搭建而成。姿态检测模块5的数据想要通过IIC总线传递到MCU10的时候，此时IIC电平转换电路6开始工作。假设此时姿态检测模块5的信号是高电平，则MOS管不导通，故5V端的电平也是高电平；假设此时姿态检测模块5的信号是低电平，则MOS管的G极和S极之间形成电压，MOS管导通，同时5V端的电压也通过D极和S极的通路流入GND，故5V端也是低电平。所以，IIC电平转换电路6方便可靠的实现了3.3V电平到5V电平的转换，使得整个电路更加稳定可靠。

机身1是整个本实用新型的机械结构支撑。同时也是电路部分的PCB电路板，其他部分均焊接在机身1上面。而电机及螺旋桨2提供升力。电源电路7提供电力供应。

作为微型四轴飞行器使用的时候， ISP下载电路8可以用来下载程序到MCU10中。而2.4G接收机插口13用于接收遥控器的数据，并将数据传递到MCU10中，以便确定当前的预期姿态。然后，姿态检测模块5不断的采集当前的飞行器的姿态数据，并将数据传输到IIC电平转换电路6。IIC电平转换电路6将姿态检测模块5的3.3V电平转换到5V电平，以便适应MCU10的电平。并将数据传输到MCU10。MCU10对当前的数据进行融合，并进行计算，算出当前飞行器的姿态数据。此时，一方面这些数据通过串口引出口14和USB转串口电路15传递到PC机供我们参考，另一方面，MCU10将此数据与2.4G接收机插口13接收到的数据比对，并通过PID算法计算出当前各个电机的转速。此时，MCU10将此信息通过信号线传递到MOS管驱动电路11，MOS管驱动电路11再驱动电机及螺旋桨2，则本实用新型可以实现作为微型四轴飞行器的飞行和演示功能。

作为大四轴的控制板使用的时候，则MCU10将最终的电机信号传输到PWM引脚引出口9，PWM引脚引出口9可以连接到大型四轴飞行器的无刷电机驱动器，从而驱动大型四轴飞行器。

作为ATmega328P的学习板使用的时候，则AD口12可以用于学习模拟电路之用。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本实用新型所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims

1.一种基于单片机的多功能微型四轴飞行器，它包括机身（1）、安装于机身（1）的控制电路、设于机身（1）四个角的电机及旋翼（2），所述的机身（1）为PCB电路板制成，所述的控制电路直接安装于PCB电路板上，其特征在于：所述的控制电路包括MCU（10），该MCU（10）分别连接IIC电平转换电路（6）、电源电路（7）、ISP下载电路（8）、PWM引脚引出口（9）、MOS管驱动电路（11）、AD口（12）、2.4G接收机插口（13）、USB转串口电路（15），所述的IIC电平转换电路（6）分别连接姿态检测模块（5）及IIC引脚引出口（4），所述的USB转串口电路（15）连接串口引出口（14）。

2.如权利要求1所述的一种基于单片机的多功能微型四轴飞行器，其特征在于：所述的机身（1）的四个角上分别设有一安装孔（3）。

3.如权利要求1所述的一种基于单片机的多功能微型四轴飞行器，其特征在于：所述的MCU（10）型号为ATmega328P。

4.如权利要求1所述的一种基于单片机的多功能微型四轴飞行器，其特征在于：所述的姿态检测模块（5）由MPU6050陀螺仪（17），mag3110磁强计（16）及MS5611气压计（18）连接构成。

5.如权利要求1所述的一种基于单片机的多功能微型四轴飞行器，其特征在于：所述的IIC电平转换电路（6）由N沟道型MOS管（19）分别通过2.2K上拉电阻（21）连接3.3V电源，通过10K上拉电阻（20）连接5V电源搭建而成。