微型四旋翼飛行器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于飛行器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微型四旋翼飛行器。
【背景技術(shù)】
[0002]四旋翼飛行器(Quad-rotor Aircraft)是由四螺旋槳驅(qū)動的、能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降的飛行器，由前后和左右兩組旋翼組成，旋轉(zhuǎn)時(shí)對應(yīng)方向上電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反。四旋翼飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降和空中自由懸停，其機(jī)動性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于固定翼機(jī)型無人飛行器。并且體積小、質(zhì)量輕、攜帶方便，比較適合在復(fù)雜地形環(huán)境、城市街道等狹窄的空間中使用，尤其是四旋翼飛行器能輕易進(jìn)入而人不易或不能進(jìn)入的惡劣環(huán)境。還可在近地面環(huán)境中執(zhí)行監(jiān)視和偵察等任務(wù)，具有廣闊的民用和軍事應(yīng)用前景。同時(shí)，四旋翼飛行器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，正受到國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和高校的關(guān)注，成為小型無人機(jī)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。
[0003]在我國，迄今為止，對于四旋翼飛行器的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究還處于起步階段，其涉及到許多關(guān)鍵技術(shù)的融合，如制造技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料工程、空氣動力學(xué)、自主飛行控制與導(dǎo)航、圖像處理和先進(jìn)通信技術(shù)、高效能源、微機(jī)電技術(shù)、傳感器技術(shù)等。四旋翼飛行器可廣泛應(yīng)用于軍事、國防、宇宙空間探索、搶險(xiǎn)救災(zāi)、地理信息測繪、環(huán)境監(jiān)視、農(nóng)林業(yè)應(yīng)用、管線巡檢及影視制作等多個領(lǐng)域，因此具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。
[0004]隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、制造技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展以及各種數(shù)字化、重量輕、體積小、精度高的新型傳感器的不斷問世，四旋翼飛行器的性能從而不斷地得到提高，正朝著微小型化、智能化、自主導(dǎo)航與多功能化、低成本以及使用方便等方向發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將其應(yīng)用在四旋翼飛行器中，所構(gòu)成的微型四旋翼飛行器非常適宜時(shí)代的需要與潮流，其研發(fā)過程不僅解決了自身存在的諸多問題，而且更為重要的是在于它還積極促進(jìn)和推動了許多相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種微型四旋翼飛行器，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低廉，并能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降和空中自由懸停，適合在復(fù)雜地形環(huán)境中使用，尤其是人不易或不能進(jìn)入的惡劣環(huán)境。
[0006]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是，一種微型四旋翼飛行器，包括四旋翼飛行器與智能飛行控制系統(tǒng)(一款安裝在智能手機(jī)上的管理軟件)，二者之間通過藍(lán)牙(BlueTooth)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。智能飛行控制系統(tǒng)把智能手機(jī)既當(dāng)作遙控器，也當(dāng)作接收器。用戶通過操作智能飛行控制系統(tǒng)，來管理、控制四旋翼飛行器的飛行:垂直上升、垂直下降、向左移動、向右移動、向前移動、向后移動、空中懸停、緊急停機(jī)等，并且四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)同時(shí)也會實(shí)時(shí)顯示在智能飛行控制系統(tǒng)上。四旋翼飛行器包括X型鏤空設(shè)計(jì)的飛控板，飛控板的四個頂角位置設(shè)置有圓孔，四個圓孔上分別安裝旋翼，飛控板上設(shè)置有電路系統(tǒng)。
[0007]本實(shí)用新型的特征還在于，電路系統(tǒng)包括主控制器MCU，三軸陀螺儀傳感器、三軸加速度傳感器、三軸磁力計(jì)傳感器、藍(lán)牙通信模塊、空心杯電機(jī)、USB接口穩(wěn)壓電源、狀態(tài)顯示發(fā)光二極管。
[0008]主控制器MCU 采用 STM32F103CBT6。
[0009]三軸陀螺儀傳感器、三軸加速度傳感器采用MPU6050。
[0010]三軸磁力計(jì)傳感器采用HMC5883。
[0011 ] 藍(lán)牙通信模塊采用BF4030模塊。
[0012]USB接口穩(wěn)壓電源采用TP4056。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果是:在硬件設(shè)計(jì)中，采用“X”型設(shè)計(jì)，飛控板大面積鏤空，既美觀，同時(shí)又在不降低飛控受力的情況下大幅度減少飛控PCB面積，減輕飛控重量。在軟件設(shè)計(jì)中，采用四元數(shù)計(jì)算飛控姿態(tài)角，具有運(yùn)算量小、精度高、更新速度快等優(yōu)點(diǎn)；使用串級PID，對多個飛控狀態(tài)量進(jìn)行合理控制，獲得更穩(wěn)定的飛行姿態(tài)和更迅速的姿態(tài)響應(yīng)。由于微型四旋翼飛行器體積小、質(zhì)量輕、攜帶方便，適合在復(fù)雜地形環(huán)境中使用，尤其是人不易或不能進(jìn)入的惡劣環(huán)境。微型四旋翼飛行器可廣泛應(yīng)用于軍事、國防、宇宙空間探索、搶險(xiǎn)救災(zāi)、地理信息測繪、環(huán)境監(jiān)視、農(nóng)林業(yè)應(yīng)用、管線巡檢及影視制作等多個領(lǐng)域，因此具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0014]圖1是本實(shí)用新型的微型四旋翼飛行器的功能框圖。
[0015]圖2是本實(shí)用新型的四旋翼飛行器不帶螺旋槳時(shí)結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖3是本實(shí)用新型的四旋翼飛行器的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0017]圖中，1.飛控板，2.圓孔，3.電路系統(tǒng)，4.主控制器MCU，5.三軸陀螺儀傳感器，6.三軸加速度傳感器，7.三軸磁力計(jì)傳感器，8.藍(lán)牙通信模塊，9.空心杯電機(jī)，10.USB接口穩(wěn)壓電源，11.狀態(tài)顯示發(fā)光二極管。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0019]微型四旋翼飛行器，功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括四旋翼飛行器與智能飛行控制系統(tǒng)(一款安裝在智能手機(jī)上的管理軟件)，二者之間通過藍(lán)牙(BlueTooth)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信。智能飛行控制系統(tǒng)把智能手機(jī)既當(dāng)作遙控器，也當(dāng)作接收器。用戶通過操作智能飛行控制系統(tǒng)，來管理、控制四旋翼飛行器的飛行:垂直上升、垂直下降、向左移動、向右移動、向前移動、向后移動、空中懸停、緊急停機(jī)等，并且四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)同時(shí)也會實(shí)時(shí)顯示在智能飛行控制系統(tǒng)上。
[0020]四旋翼飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括X型鏤空設(shè)計(jì)的飛控板1，飛控板I的四個頂角位置設(shè)置有圓孔2，四個圓孔2上分別安裝旋翼，飛控板I上設(shè)置有電路系統(tǒng)3。
[0021]電路系統(tǒng)3的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括主控制器MCU4，三軸陀螺儀傳感器5、三軸加速度傳感器6、三軸磁力計(jì)傳感器7、藍(lán)牙通信模塊8、空心杯電機(jī)9、USB接口穩(wěn)壓電源10、狀態(tài)顯示發(fā)光二極管11。
[0022]主控制器MCU4采用STM32F103CBT6，該控制器采用高性能的ARM@Cortex?-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率72MHz，內(nèi)置高速存儲器，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。其中，含2個12位的ADC、3個通用16位定時(shí)器和I個PffM定時(shí)器，還含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口:多達(dá)2個I2C接口和SPI接口、3個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。
[0023]三軸陀螺儀傳感器5、三軸加速度傳感器6采用高集成度的MPU6050，該器件集成了 3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動處理器DMP (DigitalMot1n Processor)。MPU6050對陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測范圍為±250，±500，±1000，±2000dps，加速度計(jì)可測范圍為±2，±4，±8，±16g。MPU6050采用400kHz的I2C接口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。該芯片尺寸4X4X0.9mm，采用 QFN 封裝。
[0024]三軸磁力計(jì)傳感器7采用HMC5883芯片，該器件是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應(yīng)用于低成本羅盤和磁場檢測領(lǐng)域。包括最先進(jìn)的高分辨率磁阻傳感器，并附帶集成電路包括放大器、自動消磁驅(qū)動器、偏差校準(zhǔn)、能使羅盤精度控制在1°?2°的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能在±8高斯的磁場中實(shí)現(xiàn)5毫高斯分辨率。其采用I2C總線與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
[0025]藍(lán)牙通信模塊8采用BF4030藍(lán)牙模塊，支持藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的雙模(Dual-Mode)藍(lán)牙模組，同時(shí)支持BT3.0Classic模式以及BT4.0BLE模式。藍(lán)牙通信模塊8基于藍(lán)牙領(lǐng)先芯片供應(yīng)商Broadcom公司的HCI芯片與MCU芯片架構(gòu)，遵循BT4.0藍(lán)牙規(guī)范，具有工業(yè)級設(shè)計(jì)、傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可廣泛用于同時(shí)支持Android與1S操作系統(tǒng)的應(yīng)用。該藍(lán)牙模塊的特點(diǎn):支持標(biāo)準(zhǔn)BT3.0+EDR、標(biāo)準(zhǔn)BT4.0BLE協(xié)議、SPP協(xié)議，支持UART、I2C, SPI通信接口。
[0026]USB接口穩(wěn)壓電源10采用TP4056芯片，是一款完整的單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。由于采用了內(nèi)部PM0SFET架構(gòu)，加上防倒充電路，所以不需要外部隔離二極管。熱反饋可對充電電流進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以便在大功率操作或高環(huán)境溫度條件下對芯片溫度加以限制。充電電壓固定于4.2V，而充電電流可通過一個電阻器進(jìn)行外部設(shè)置。當(dāng)充電電流在達(dá)到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值1/10時(shí)，TP4056將自動終止充電循環(huán)。當(dāng)輸入電壓(交流適配器或USB電源)被拿掉時(shí)，TP4056將自動進(jìn)入一個低電流狀態(tài)，將電池漏電流降至2 μ A以下。ΤΡ4056在有電源時(shí)也可置于停機(jī)模式，以將供電電流降至55 μ A。ΤΡ4056的其他特點(diǎn)包括電池溫度檢測、欠壓閉鎖、自動再充電和兩個用于指示充電、結(jié)束的LED狀態(tài)引腳。
[0027]狀態(tài)顯示發(fā)光二極管11，用來顯示電池電量情況，如電量不足、電量正常、正在充電與飛行狀態(tài)。
[0028]微型四旋翼飛行器實(shí)現(xiàn)飛行還需要智能飛行控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于智能手機(jī)的APP軟件，用來實(shí)現(xiàn)無線控制四旋翼飛行器上的四個空心杯電機(jī)，以達(dá)到控制飛行器的飛行:垂直上升、垂直下降、向左移動、向右移動、向前移動、向后移動、空中懸停、緊急停機(jī)等。同時(shí)微型四旋翼飛行器的飛行狀態(tài)與參數(shù)通過藍(lán)牙傳送給智能飛行控制系統(tǒng)，并在智能飛行控制系統(tǒng)上實(shí)時(shí)顯示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.微型四旋翼飛行器，其特征在于，包括X型鏤空設(shè)計(jì)的飛控板(1)，飛控板(I)的四個頂角位置設(shè)置有圓孔(2)，四個圓孔(2)上分別安裝旋翼，飛控板⑴上設(shè)置有電路系統(tǒng)⑶。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型四旋翼飛行器，其特征在于，所述電路系統(tǒng)(3)包括主控制器MCU(4)，三軸陀螺儀傳感器(5)、三軸加速度傳感器(6)、三軸磁力計(jì)傳感器(7)、藍(lán)牙通信模塊(8)、空心杯電機(jī)(9)、USB接口穩(wěn)壓電源(10)、狀態(tài)顯示發(fā)光二極管(11)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型四旋翼飛行器，其特征在于，所述主控制器MCU(4)采用STM32F103CBT6。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型四旋翼飛行器，其特征在于，所述三軸陀螺儀傳感器(5)、三軸加速度傳感器(6)采用MPU6050。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型四旋翼飛行器，其特征在于，所述三軸磁力計(jì)傳感器(7)采用HMC5883芯片。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型四旋翼飛行器，其特征在于，所述藍(lán)牙通信模塊(8)采用BF4030藍(lán)牙模塊。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型四旋翼飛行器，其特征在于，所述USB接口穩(wěn)壓電源(10)采用TP4056型號。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種微型四旋翼飛行器，包括X型鏤空設(shè)計(jì)的飛控板，飛控板的四個頂角位置設(shè)置有圓孔，四個圓孔上分別安裝旋翼，飛控板上設(shè)置有電路系統(tǒng)。電路系統(tǒng)包括主控制器MCU，三軸陀螺儀傳感器、三軸加速度傳感器、三軸磁力計(jì)傳感器、藍(lán)牙通信模塊、空心杯電機(jī)、USB接口穩(wěn)壓電源、狀態(tài)顯示發(fā)光二極管。本實(shí)用新型的有益效果是采用“X”型設(shè)計(jì)，飛控板大面積鏤空，在不降低飛控受力的情況下大幅度減少飛控PCB面積，減輕飛控重量。適合在復(fù)雜地形環(huán)境中使用，尤其是人不易或不能進(jìn)入的惡劣環(huán)境。具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。
【IPC分類】B64C27/02, G05D1/08
【公開號】CN204846364
【申請?zhí)枴緾N201520228734
【發(fā)明人】符長友, 劉昊
【申請人】四川理工學(xué)院
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年4月16日