本實用新型屬于航空領域，主要涉及一種新型航拍四旋翼飛行裝置，可以靈活應用于多個實用領域。

背景技術：

如今無人機日益發(fā)展，越來越智能化、人性化、小型化和實用化，并且已經(jīng)運用到軍事、民事及生活的各個角落中，小到兒童玩具，大到搶險救災，無人機在人們的生活中扮演的角色真可謂是數(shù)不勝數(shù)，尤其現(xiàn)在流行的航拍四旋翼飛行器，人們在上面添加了攝像頭，通過遙控器隨心所欲的控制其姿態(tài)并可抓拍自己看到的圖像，而且可以去人一般很難到達的地方進行拍攝甚至執(zhí)行任務，這樣極大地方便了人們的生活，更讓人們的生活變得豐富多彩且充滿樂趣無，無人機的發(fā)展前景可謂是很廣闊。

航拍四旋翼飛行器已經(jīng)普及人們的生活娛樂中，但是成本高，尤其航拍設備價格昂貴，雖然能夠實現(xiàn)視頻實時傳輸，需要添加高速傳輸?shù)臒o線設備（比如WIFI模塊等）和顯示視頻的大屏幕的液晶屏。最常見的航拍四旋翼飛行器是在四旋翼上裝多個處理器，一部分控制四旋翼自身平衡，另一部分控制其他部分如航拍、無線通信、復雜數(shù)據(jù)處理等，同時利用無線圖像傳輸設備傳將視頻圖像傳回地面，雖然這樣效率很高，但是存在一些問題，如高性能的多處理器、高速的無線圖像傳輸設備等這些必然造成設計成本增加，生產(chǎn)工藝復雜。面對成本的這種狀況其售價必然大部分人很難接受，這樣不利于四旋翼的普及。另外一方面大部分航拍時實時傳輸，并不能實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)存儲，這樣不利于數(shù)據(jù)查看。同時大部分四軸飛行器只是將簡單的控制程序移植到處理器中，這樣難免會使系統(tǒng)拋錨，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。針對目前航拍四旋翼飛行器成本高、不能存儲視頻、制作工藝復雜且CPU執(zhí)行效率低、不穩(wěn)定等原因，研究一種性能高、穩(wěn)定性好、能進行視頻數(shù)據(jù)存儲且成本較低的航拍四旋翼在該領域有著重要的意義。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術問題是：提供一種新型航拍四旋翼飛行裝置，其輕巧靈活，性能穩(wěn)定，價格低廉，可以通過遙控器控制飛行器的姿態(tài)，而且能夠通過攝像頭實時采集圖像并將其存入SD卡中。

為了解決上述技術問題，本實用新型采用以下技術方案：裝置包括控制器、姿態(tài)傳感器、電子調速器模塊、無刷電機、圖像采集模塊、存儲模塊和遙控器，姿態(tài)傳感器、圖像采集模塊和存儲模塊均與控制器相連，控制器通過連接的電子調速器模塊控制無刷電機，控制器中移植入uCOS-II操作系統(tǒng)，通過姿態(tài)傳感器采集姿態(tài)數(shù)據(jù)，并經(jīng)過濾波、四元數(shù)、歐拉角轉換，最終轉換為姿態(tài)角，將其送入控制器，裝置以串級PID作為主要控制算法，將遙控器的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉換作為串級PID外環(huán)期望值，將傳感器測得角速度及角度分別作為內外環(huán)的控制量，最后將串級PID的輸出值經(jīng)過融合作為四旋翼飛行裝置中電子調速器模塊的輸入量，進而控制無刷電機，保證四旋翼的平衡并控制其姿態(tài)，同時通過圖像采集模塊將采集的視屏數(shù)據(jù)送入控制器經(jīng)過濾波處理，將其以MP4格式存入存儲模塊中，用于計算機查看所拍攝的視屏，遙控器包括遙控發(fā)射機和遙控接收機，遙控接收機連接控制器，用戶操作遙控發(fā)射機，實現(xiàn)無線控制。

作為優(yōu)選，控制器為32位單片機，其中移植入uCOS-II操作系統(tǒng)，保證裝置的穩(wěn)定性及高效性。

作為優(yōu)選，姿態(tài)傳感器為6軸運動傳感器和磁力計，通過I²C接口與32位單片機相連。

作為優(yōu)選，圖像采集模塊為微型高清攝像頭。

作為優(yōu)選，遙控器為6通道2.4G遙控器。

作為優(yōu)選，存儲模塊為SD卡。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的優(yōu)點在于：設計新穎，功能實用，可以通過遙控器控制四旋翼飛行裝置的姿態(tài)及航拍的起止，同時可以將所拍攝的視屏數(shù)據(jù)存入SD卡便于查看，控制器中移植了uCOS-II操作系統(tǒng)，不僅保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且也提高了程序的執(zhí)行效率，裝置成本低，具有良好的推廣價值。

附圖說明：

圖1為本實用新型所述一種新型航拍四旋翼飛行裝置的結構框圖；

圖2為本實用新型所述控制器中電源電路；

圖3為本實用新型所述控制器的復位電路；

圖4為本實用新型所述控制器的振蕩電路；

圖5為本實用新型所述姿態(tài)傳感器中的磁力計與控制器的連接電路；

圖6為本實用新型所述姿態(tài)傳感器中的6軸運動傳感器與控制器的連接電路；

圖7為本實用新型所述電子調速器模塊與控制器連接電路；

圖8為本實用新型所述遙控器接收機與控制器連接電路；

圖9為本實用新型所述圖像采集模塊與控制器連接電路；

圖10為本實用新型所述串級PID算法流程圖。

具體實施方式：

下面結合附圖對本實用新型進一步說明。

作為本實用新型的一種實施方式，本實用新型包括控制器、姿態(tài)傳感器、電子調速器模塊、無刷電機、圖像采集模塊、存儲模塊和遙控器，姿態(tài)傳感器、圖像采集模塊和存儲模塊均與控制器相連，控制器通過連接的電子調速器模塊控制無刷電機，控制器中移植入uCOS-II操作系統(tǒng)，通過姿態(tài)傳感器采集姿態(tài)數(shù)據(jù)，并經(jīng)過濾波、四元數(shù)、歐拉角轉換，最終轉換為姿態(tài)角，將其送入控制器，裝置以串級PID作為主要控制算法，將遙控器的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉換作為串級PID外環(huán)期望值，將傳感器測得角速度及角度分別作為內外環(huán)的控制量，最后將串級PID的輸出值經(jīng)過融合作為四旋翼飛行裝置中電子調速器模塊的輸入量，進而控制無刷電機，保證四旋翼的平衡并控制其姿態(tài)，同時通過圖像采集模塊將采集的視屏數(shù)據(jù)送入控制器經(jīng)過濾波處理，將其以MP4格式存入存儲模塊中，用于計算機查看所拍攝的視屏，遙控器包括遙控發(fā)射機和遙控接收機，遙控接收機連接控制器，用戶操作遙控發(fā)射機，實現(xiàn)無線控制，一種新型航拍四旋翼飛行裝置的結構框圖如圖1所示，所述控制器為32位單片機，其中移植入uCOS-II操作系統(tǒng)，保證裝置的穩(wěn)定性及高效性。姿態(tài)傳感器為6軸運動傳感器和磁力計，通過I²C接口與32位單片機相連。圖像采集模塊為微型高清攝像頭。遙控器為6通道2.4G遙控器。存儲模塊為SD卡。

優(yōu)選的是，所述控制器選用STM32F103CBT6型號的32位單片機，所述姿態(tài)傳感器中6軸運動傳感器選用MPU6050，所述姿態(tài)傳感器中磁力計選用HMC5883L，所述電子調速器模塊選用新西達電調，所述無刷電機選用新西達A2212型號的1000KV無刷電機，所述圖像采集模塊選用800萬像素的微型攝像頭，所述遙控器選用六通道富士通遙控器和接收機。

所述的控制器為32位單片機STM32F103CBT6，其最小系統(tǒng)包括電源電路、復位電路和振蕩電路，圖2為電源電路，圖3為復位電路，圖4為振蕩電路。系統(tǒng)采用5200mh容量的12v鋰電池供電，經(jīng)過電子調速器模塊內部轉換電路輸出5v電壓，在經(jīng)過ASM1117轉化為3.3v為32位單片機STM32F103CBT6供電，如圖2所示，復位電路是通過按鍵按下產(chǎn)生低脈沖讓系統(tǒng)復位，如圖3所示，振蕩電路是通過外接8M晶振為系統(tǒng)提供時鐘源，如圖4所示。

所述的姿態(tài)傳感器為6軸運動傳感器MPU6050和磁力計HMC5883L，兩者均為I²C接口，其中MPU6050內部集成陀螺儀與加速度計，同時其內部可配置主從模式，即可在AUX_DA與AUX_CL上掛載其它I²C接口的器件，設計中將HMC5883L磁力計掛載在MPU6050上，而將MPU6050的SDA、SCL直接連接在32位單片機STM32F103CBT6上，姿態(tài)傳感器中的磁力計與控制器的連接電路如圖5所示，姿態(tài)傳感器中的6軸運動傳感器與控制器的連接電路如圖6所示。

所述電子調速器模塊與控制器連接電路如圖7所示，電調輸出端A、B、C分別與電機三根線相連，VCC1、GND與12V電源通過開關相連，VCC2、GND是12V電壓經(jīng)過電調內部轉化出的5V輸出接口，該5v再經(jīng)過3.3v轉化電路變?yōu)?.3v為單片機及傳感器供電，圖中PWM_IN為信號輸入端，直接連在單片機的PWM波輸出接口上，通過單片機內部輸出PWM信號控制其電子調速器模塊，進而控制無刷電機轉速。

所述遙控器接收機與控制器連接電路如圖8所示，遙控器主要包括遙控發(fā)射機與遙控接收機，兩者均為6通道，其中遙控發(fā)射機為一個單獨模塊，遙控接收機直接與32位單片機STM32F103CBT6，遙控接收機為5V供電，六個通道分別為CH1、CH2、CH3、CH4、CH5、CH6 ，通過遙控器發(fā)射機發(fā)出6通道PPM信號，接收機將信號變?yōu)榱鶄€通道的PWM信號，再通過單片機的輸入捕獲模式捕捉該信號，以此完成遙控器與航拍四旋翼飛行裝置中控制系統(tǒng)的信息交互。

所述圖像采集模塊與控制器連接電路如圖9所示，該模塊共三個腳，其中兩個為電源端，采用3.3v供電，另外一個為信號控制端，直接與32位單片機STM32F103CBT6的PB0口相連，通過單片機給低脈沖信號，控制其進行拍攝的起止。

所述串級PID算法流程圖如圖10所示，外環(huán)為角度環(huán)，內環(huán)為角速度環(huán)，先把遙控器的數(shù)值經(jīng)過換算變?yōu)?-20度的角度值以此作為外環(huán)的期望值，再把外環(huán)的輸出作為內環(huán)PID的期望值。而內環(huán)的輸出經(jīng)過融合限幅后作為電機的控制量，以此來完成航拍四旋翼飛行裝置平衡自適應控制。

使用時，通過6軸運動傳感器采集姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過六通道2.4G遙控器控制四旋翼實現(xiàn)左右、前后、旋轉、上下運動、航拍的起止和存儲功能。裝置共用到遙控器5個通道，通道1-5的功能分別是實現(xiàn)前后、左右、旋轉、油門（上下）及航拍控制。初次使用該裝置時，需要設定油門航程，即剛上電時先將通過遙控器搖桿將油門（通道4）打到最大，聽到電機兩聲短叫聲后，2s內將油門打到最小，當聽到電機三短一長的叫聲則設定完成。后面再次使用時，初始化只需將油門推到最小，當聽3短1長叫聲后則初始化完成，然后通過遙控發(fā)射機控制通道1的搖桿打到最大（最上），則完成解鎖，然后通過遙控器發(fā)射機搖桿操作發(fā)出五通道信號，當接收機接收到5個通道信號后，將1-4通道數(shù)據(jù)經(jīng)過處理作為串級PID外環(huán)期望值，將6軸運動傳感器及磁力計采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過融合、轉換，所得的角度作為外環(huán)的反饋量，將外環(huán)的輸出作為內環(huán)的期望值，6軸運動傳感器所得的角速度作為內環(huán)的反饋量，就這樣外環(huán)角度環(huán)、內環(huán)角速度環(huán)，將最終輸出轉化為PWM信號送給電子調速器進而控制無刷電機，從而通過1-4通道分別實現(xiàn)其前后、左右、旋轉、上下控制，同時通過遙控發(fā)射機的通道5開關控制其航拍，開關打開時，圖像采集模塊采集視頻數(shù)據(jù)進行拍攝，否則停止航拍并通過存儲模塊將視頻存儲。

以上所述的實施例，所涉及的數(shù)據(jù)和計算方法僅作為示意性說明，舉凡依本實用新型申請專利范圍所做的等同設計，均應為本實用新型的技術所涵蓋。