四旋翼飛行器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種四旋翼飛行器，包括機(jī)身，所述的機(jī)身的前端對稱安裝有第一、第二旋翼，所述的機(jī)身的后端對稱安裝有第三、第四旋翼，所述的第一、第二、第三、第四旋翼分別一與無刷直流電機(jī)相連，所述的無刷直流電機(jī)分別連接一電機(jī)調(diào)速器，所述的電機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速；所述的電機(jī)調(diào)速器均與一飛行控制器相連，所述的飛行控制器控制電機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)；還包括角速度傳感器和角度傳感器，所述的角速度傳感器與角度傳感器分別與所述的飛行控制器連接。本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、成本低、可以實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器俯仰、翻滾、偏航等功能。
【專利說明】
四旋翼飛行器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種四旋翼飛行器。

【背景技術(shù)】
[0002]四旋翼飛行器的運(yùn)用是多方面的，除了最基礎(chǔ)的供學(xué)習(xí)參考、娛樂休閑的功能外，還具有實(shí)際意義的價(jià)值。比如，在拓展外部攝像頭的情況下，可以實(shí)現(xiàn)地形地貌航拍功能，為地質(zhì)測量提供數(shù)據(jù)支持；進(jìn)行野外探尋，高空尋找失散物；對森林火災(zāi)進(jìn)行現(xiàn)場航空拍攝，得到控制。在外拓一些溫濕度傳感器，大氣微粒傳感器等設(shè)備外，還可以對高空空氣質(zhì)量狀況提供詳細(xì)數(shù)據(jù)。
[0003]在已有的技術(shù)中，四旋翼飛行器的硬件電路設(shè)計(jì)有很多。從主控芯片的選擇到各個(gè)種類的傳感器的設(shè)計(jì)，都是需要通過篩選、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)從而得到最終確定和實(shí)現(xiàn)的。但是現(xiàn)有的四旋翼設(shè)備性價(jià)比不高，穩(wěn)定性差，機(jī)械結(jié)構(gòu)不安全，物理結(jié)構(gòu)不結(jié)實(shí)。同時(shí)，因?yàn)槠浼啥雀?，?nèi)部芯片唯一化，因此當(dāng)四旋翼飛行器發(fā)生故障的時(shí)候，不能夠很好地進(jìn)行自我維修。
[0004]作為一種優(yōu)選方案，與其他飛行器類似。四旋翼飛行器于空中有六個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)左右、上下、前后的運(yùn)動(dòng)。通過這些運(yùn)動(dòng)的變換，達(dá)到上述俯仰、偏航、翻轉(zhuǎn)等行為動(dòng)作。通過力學(xué)原理，可以看出，四旋翼飛行器在四個(gè)控制量的前提下，要實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，這是一個(gè)很典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)，四旋翼飛行器是三維方向上的運(yùn)行，有很高的耦合動(dòng)特性。所以，如果不通過嵌入式技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，很難對該飛行器進(jìn)行理想控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有四旋翼飛行器存在的性價(jià)比不高，穩(wěn)定性差，機(jī)械結(jié)構(gòu)不安全，物理結(jié)構(gòu)不結(jié)實(shí)等的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種四旋翼飛行器。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]四旋翼飛行器，包括機(jī)身，所述的機(jī)身的前端對稱安裝有第一、第二旋翼，所述的機(jī)身的后端對稱安裝有第三、第四旋翼，所述的第一、第二、第三、第四旋翼分別一與無刷直流電機(jī)相連，所述的無刷直流電機(jī)分別連接一電機(jī)調(diào)速器，所述的電機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速；所述的電機(jī)調(diào)速器均與一飛行控制器相連，所述的飛行控制器控制電機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)；其特征在于:還包括角速度傳感器和角度傳感器，所述的角速度傳感器與角度傳感器分別與所述的飛行控制器連接。
[0008]進(jìn)一步，所述的機(jī)身上安裝有用于高空采集圖像的無線攝像頭，所述的無線攝像頭與下位機(jī)通信連接，所述的下位機(jī)通過UART接口與PC端上位機(jī)連接。用STM32設(shè)計(jì)UC/OSII嵌入式系統(tǒng)的下位機(jī)，使用無線與四旋翼飛行器進(jìn)行通信，用作人機(jī)交互以及圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g站，能夠完成飛行器各個(gè)狀態(tài)之間的切換以及數(shù)據(jù)的接收顯示。
[0009]進(jìn)一步，所述的飛行控制器包括ARM單片機(jī)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，所述的ARM單片機(jī)通過USART接口與STM32控制器連接，所述的ARM單片機(jī)通過無線模塊與下位機(jī)連接，所述的STM32控制器與安裝在機(jī)身上的無線攝像頭控制連接；所述的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)包括包括MPU6050陀螺儀、HMC5883電子羅盤和MS5611氣壓計(jì)。
[0010]進(jìn)一步，所述的下位機(jī)采用STM32開發(fā)的uc/osll的嵌入式系統(tǒng)。
[0011]本發(fā)明根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理可以通過嵌入式系統(tǒng)來控制其旋翼的轉(zhuǎn)速。本發(fā)明中，飛行控制器采用了 STM32F103VET6的ARM單片機(jī)，進(jìn)行飛行控制和姿態(tài)控制；其功能強(qiáng)大，性價(jià)比高，同時(shí)使用另一塊STM32控制器進(jìn)行圖像采集與數(shù)據(jù)通信。下位機(jī)則是使用STM32開發(fā)的uc/osll的嵌入式系統(tǒng)，其集成了普通遙控功能以及采用一塊GY-8610D0F模塊制作的感應(yīng)遙控部分。同時(shí)，3.2寸的帶觸控TFT液晶顯示器也能夠承擔(dān)一個(gè)很好的人機(jī)交互的角色。下位機(jī)與PC端上位機(jī)的交互則采用了 UART接口，通過FT232電平轉(zhuǎn)換模塊達(dá)到電平匹配的目的。
[0012]慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是采集飛行器機(jī)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息作為控制系統(tǒng)控制的重要信息依據(jù)。慣性導(dǎo)航平臺的反饋精度直接影響到控制系統(tǒng)的控制精度。本發(fā)明的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由MPU6050陀螺儀、HMC5883電子羅盤和MS5611氣壓計(jì)組成。
[0013]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:四旋翼飛行器性價(jià)比高，穩(wěn)定性強(qiáng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，操作性不高。內(nèi)部芯片模塊化，便于自身維修。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)構(gòu)成圖。
[0015]圖2是本發(fā)明STM32控制器連接電路。
[0016]圖3是本發(fā)明MPU6050陀螺儀連接電路。
[0017]圖4是本發(fā)明HMC5883電子羅盤連接電路。
[0018]圖5是本發(fā)明MS5611氣壓計(jì)連接電路。
[0019]圖6是本發(fā)明無線攝像頭0V7620連接電路。
[0020]圖7是本發(fā)明nRF24L01連接電路。

【具體實(shí)施方式】
[0021]機(jī)身型號是F450，總重量為282克，電機(jī)軸距為450mm。為了配合該四旋翼飛行器的飛行動(dòng)力，采用1047型螺旋槳，提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。選用朗宇2212980kv無刷直流電機(jī)，并在四個(gè)無刷直流電機(jī)上連接好贏30A電調(diào)，持續(xù)電流為30A，短時(shí)電流為40A。用2200mah鋰電池作為電源。
[0022]參照圖1，四旋翼飛行器，包括機(jī)身，所述的機(jī)身的前端對稱安裝有第一、第二旋翼11、12，所述的機(jī)身的后端對稱安裝有第三、第四旋翼13、14，所述的第一、第二、第三、第四旋翼分別一與無刷直流電機(jī)2相連，所述的無刷直流電機(jī)分別連接一電機(jī)調(diào)速器3，所述的電機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速；所述的電機(jī)調(diào)速器均與一飛行控制器4相連，所述的飛行控制器4控制電機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)；還包括角速度傳感器8和角度傳感器9，所述的角速度傳感器與角度傳感器分別與所述的飛行控制器4連接。
[0023]進(jìn)一步，所述的機(jī)身上安裝有用于高空采集圖像的無線攝像頭，所述的無線攝像頭6與下位機(jī)10通信連接，所述的下位機(jī)10通過UART接口與PC端上位機(jī)連接。用STM32設(shè)計(jì)UC/0SII嵌入式系統(tǒng)的下位機(jī)，使用無線與四旋翼飛行器進(jìn)行通信，用作人機(jī)交互以及圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g站，能夠完成飛行器各個(gè)狀態(tài)之間的切換以及數(shù)據(jù)的接收顯示。
[0024]進(jìn)一步，所述的飛行控制器4包括ARM單片機(jī)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，所述的ARM單片機(jī)通過USART接口與STM32控制器5連接，所述的ARM單片機(jī)通過無線模塊7與下位機(jī)10連接，所述的STM32控制器與安裝在機(jī)身上的無線攝像頭控制連接；所述的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)包括包括MPU6050陀螺儀、HMC5883電子羅盤和MS5611氣壓計(jì)。
[0025]進(jìn)一步，所述的下位機(jī)采用STM32開發(fā)的uc/osll的嵌入式系統(tǒng)。
[0026]本發(fā)明根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理可以通過嵌入式系統(tǒng)來控制其旋翼的轉(zhuǎn)速。本發(fā)明中，飛行控制器采用了 STM32F103VET6的ARM單片機(jī)，進(jìn)行飛行控制和姿態(tài)控制；其功能強(qiáng)大，性價(jià)比高，同時(shí)使用另一塊STM32控制器進(jìn)行圖像采集與數(shù)據(jù)通信。下位機(jī)則是使用STM32開發(fā)的uc/osll的嵌入式系統(tǒng)，其集成了普通遙控功能以及采用一塊GY-8610D0F模塊制作的感應(yīng)遙控部分。同時(shí)，3.2寸的帶觸控TFT液晶顯示器也能夠承擔(dān)一個(gè)很好的人機(jī)交互的角色。下位機(jī)與PC端上位機(jī)的交互則采用了 UART接口，通過FT232電平轉(zhuǎn)換模塊達(dá)到電平匹配的目的。
[0027]慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是采集飛行器機(jī)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息作為控制系統(tǒng)控制的重要信息依據(jù)。慣性導(dǎo)航平臺的反饋精度直接影響到控制系統(tǒng)的控制精度。本發(fā)明的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由MPU6050陀螺儀、HMC5883電子羅盤和MS5611氣壓計(jì)組成。
[0028]參考圖2,電路圖中Yl、Y2分別是系統(tǒng)實(shí)時(shí)晶振和主晶振。其中Yl晶振提供Systick用于精確時(shí)間延時(shí)，而Y2用于提供高速時(shí)鐘，保證系統(tǒng)的工作運(yùn)行。復(fù)位電路以及SI按鈕，實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。PA0、PA6、PA15以及PB6接口實(shí)現(xiàn)電子調(diào)速器的信號輸出，控制電調(diào)。STM32中PBlO 口和PBll 口提供各個(gè)傳感器的芯片的數(shù)據(jù)輸入輸出。通過PBlO和PBl I口的控制，實(shí)現(xiàn)氣壓計(jì)HMC5883，陀螺儀和加速度計(jì)MPU6050，MS5611和數(shù)字?jǐn)z像頭0V7620的控制。PAO?PA7八個(gè)接口和0V7620接口連接，實(shí)現(xiàn)8位數(shù)字圖像的傳輸功能。PB12、PB13、PB14、PB15、PBO、PBl和nRF24L01模塊連接，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和飛控板無線傳輸控制的功倉泛。
[0029]陀螺儀、加速度計(jì)、電子羅盤以及氣壓計(jì)等傳感器實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)的控制。本設(shè)計(jì)中，采用的多傳感器模塊為慣性傳感器GY-8610D0F MPU6050+HMC5883+MS561110軸傳感器。通過十軸多傳感器的數(shù)據(jù)采集，再運(yùn)用卡爾曼濾波得到有效的信息，接著通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)，得到各個(gè)部分的信息，最終得到有用參數(shù)。陀螺儀和加速度計(jì)，我們采用MPU6050作為慣導(dǎo)傳感器，電子羅盤采用HMC5883高集成弱磁傳感器芯片，用MS5611傳感器作為高分辨率的氣壓傳感器。
[0030]所述MPU6050包含了 3軸陀螺儀、3軸加速器，并含可藉由第二個(gè)12C端口連接其他廠牌之加速器、磁力傳感器、或其他傳感器的數(shù)位運(yùn)動(dòng)處理硬件加速引擎，由主要I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算技術(shù)InvenSense的運(yùn)動(dòng)處理資料庫，可處理運(yùn)動(dòng)感測的復(fù)雜數(shù)據(jù)，降低了運(yùn)動(dòng)處理運(yùn)算對操作系統(tǒng)的負(fù)荷，并為應(yīng)用開發(fā)提供架構(gòu)化的API。
[0031 ] MPU6050連接電路如圖3所示。
[0032]所述HMC5883數(shù)字羅盤是一種低成本羅盤和磁場檢測領(lǐng)域的芯片。該設(shè)計(jì)中，四旋翼飛行器的數(shù)字羅盤運(yùn)用即采用HMC5883。
[0033]HMC5883連接電路圖如圖4所示。
[0034]對于數(shù)字羅盤傳感器HMC5883而言，其SCL和SDA接口和MPU6050相似，都是對其串行時(shí)鐘和串行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集控制的接口。
[0035]MS5611是一款由瑞士 MEAS公司生產(chǎn)的氣壓傳感器，優(yōu)于該芯片的性價(jià)比，本四旋翼設(shè)計(jì)中則采用該芯片作為氣壓傳感器。
[0036]MS5661連接電路圖如圖5所示。
[0037]除了用于測量和控制其角度及位姿的幾個(gè)傳感器芯片外，該設(shè)計(jì)中還包含了一個(gè)數(shù)字?jǐn)z像頭0V7620，用于高空采集圖像。0V7620是一款單片視頻、圖像攝像頭設(shè)備，其在一個(gè)小尺寸的芯片內(nèi)部提供了高性能的水平。0V7620的應(yīng)用包括:視頻會(huì)議、視頻電話、視頻郵件、靜態(tài)圖像和PC多媒體等，正因?yàn)樵撔酒男阅芎蛥?shù)相對于其他同類芯片更為合理，因此，該四旋翼的高空采集圖像的功能有0V7620來實(shí)現(xiàn)，通過NRF24L01+PA的無線通信方式，將控制信號與圖像信息進(jìn)行整合后與嵌入式下位機(jī)進(jìn)行通信，達(dá)到數(shù)字圖像傳輸?shù)墓δ堋?br> [0038]0V7620和STM32的連接電路圖如圖6所示。
[0039]作為一款遙控的移動(dòng)飛行器，其無線傳輸也是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。該設(shè)計(jì)采用nRF24L01作為其無線收發(fā)芯片。其輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置都可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。該芯片能夠連接幾乎所有單片機(jī)芯片，并完成無線傳送工作，因此運(yùn)用范圍很是廣泛。不僅如此，該芯片的電流消耗量很小，正因如此，我們選擇該款新品作為無線收發(fā)芯片。達(dá)到數(shù)據(jù)和圖像傳輸?shù)墓δ堋?br> [0040]其與STM32的連接電路如圖7所示。
[0041]Y0、Yl、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6 和 Y7 接口實(shí)現(xiàn) 0V7620 和 STM32 之間的數(shù)據(jù)傳輸。SDA和SCL接口連接STM32的PBlO和PBll接口。通過程序的控制，我們就可以從0V7620中獲得圖像數(shù)據(jù)，通過HRF24L01的無線通訊，發(fā)送到下位機(jī)，再而到達(dá)上位機(jī)。
[0042]以上是其飛控板的硬件電路連接。通過GY-8610D0F MPU6050+HMC5883+MS561110軸傳感器的位姿角度的采集、數(shù)據(jù)融合、以及位姿控制，用0V7620實(shí)現(xiàn)圖像采集，同時(shí)通過nRF24L01的無線傳輸，到達(dá)下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和飛控控制。
[0043]下位機(jī)則是使用STM32開發(fā)的uc/osll的嵌入式系統(tǒng)，其集成了普通遙控功能以及采用一塊GY-8610D0F模塊制作的感應(yīng)遙控部分。同時(shí)，3.2寸的帶觸控TFT液晶顯示器也能夠承擔(dān)一個(gè)很好的人機(jī)交互的角色。下位機(jī)與PC端上位機(jī)的交互則采用了 UART接口，通過FT232電平轉(zhuǎn)換模塊達(dá)到電平匹配的目的。
[0044]本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【權(quán)利要求】
1.四旋翼飛行器，包括機(jī)身，所述的機(jī)身的前端對稱安裝有第一、第二旋翼，所述的機(jī)身的后端對稱安裝有第三、第四旋翼，所述的第一、第二、第三、第四旋翼分別一與無刷直流電機(jī)相連，所述的無刷直流電機(jī)分別連接一電機(jī)調(diào)速器，所述的電機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速；所述的電機(jī)調(diào)速器均與一飛行控制器相連，所述的飛行控制器控制電機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)；其特征在于:還包括角速度傳感器和角度傳感器，所述的角速度傳感器與角度傳感器分別與所述的飛行控制器連接。
2.如權(quán)利要求1所述的四旋翼飛行器，其特征在于:所述的機(jī)身上安裝有用于高空采集圖像的無線攝像頭，所述的無線攝像頭與下位機(jī)通信連接，所述的下位機(jī)通過UART接口與PC端上位機(jī)連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的四旋翼飛行器，其特征在于:所述的飛行控制器包括ARM單片機(jī)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，所述的ARM單片機(jī)通過USART接口與STM32控制器連接，所述的ARM單片機(jī)通過無線模塊與下位機(jī)連接，所述的STM32控制器與安裝在機(jī)身上的無線攝像頭控制連接；所述的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)包括包括MPU6050陀螺儀、HMC5883電子羅盤和MS5611氣壓計(jì)。
4.如權(quán)利要求3所述的四旋翼飛行器，其特征在于:所述的下位機(jī)采用STM32開發(fā)的uc/osll的嵌入式系統(tǒng)。
【文檔編號】B64C27/08GK104386246SQ201410558617
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】葉瑞昌, 葉孝璐, 章志誠, 張文安, 徐晉鴻, 楊金橋 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)