一種基于嵌入式的四旋翼自主飛行器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種基于嵌入式的四旋翼自主飛行器，包括設(shè)置于飛行器上的主控制器、數(shù)據(jù)采集裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置、無線通訊裝置，以及設(shè)置于飛行器監(jiān)控室內(nèi)、與無線通訊裝置無線連接的上位機(jī)，所述數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)置于飛行器內(nèi)部，執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置位于飛行器的旋翼底部，無線通訊裝置位于飛行器的上端，所述數(shù)據(jù)采集裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置、無線通訊裝置均與主控制器電氣連接。通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集裝置，對飛行器的姿態(tài)進(jìn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使飛行器按照既定的姿態(tài)運(yùn)動，飛行姿態(tài)控制精度高；增設(shè)ZigBee無線通訊裝置，實(shí)現(xiàn)用上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測飛行器姿態(tài)的功能。與傳統(tǒng)的飛行器相比可大大降低系統(tǒng)的開發(fā)成本、節(jié)約資源。
【專利說明】—種基于嵌入式的四旋翼自主飛行器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及飛行器控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于基于嵌入式的四旋翼自主飛行器。
【背景技術(shù)】
[0002]早在上個(gè)世紀(jì)中葉，微小型多旋翼飛行器已經(jīng)受到海外一些研究機(jī)構(gòu)的矚目，但多旋翼飛行器一般尺寸較小，負(fù)載能力相對較差，無法搭載傳統(tǒng)的高精度傳感器。直到本世紀(jì)初，MEMS傳感器技術(shù)的發(fā)展使微小型多旋翼飛行器的研究得到突破。
[0003]現(xiàn)有四旋翼飛行器技術(shù)中，大多采用普通單片機(jī)作為主控制器，功耗大，且外設(shè)資源少，這與飛行器要求的功耗低，重量輕，簡單設(shè)計(jì)相悖，從而阻礙了飛行器的發(fā)展。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于嵌入式的四旋翼自主飛行器，該飛行器與傳統(tǒng)的飛行控制器相比，大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本、節(jié)約資源，且整個(gè)飛行器的結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、且功耗低、外設(shè)資源少，并且實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器的姿態(tài)控制精確度，提高了飛行器飛行的穩(wěn)定性。
[0005]本實(shí)用新型提供了一種基于嵌入式的四旋翼自主飛行器，包括設(shè)置于飛行器上的主控制器、數(shù)據(jù)采集裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置、無線通訊裝置，以及設(shè)置于飛行器監(jiān)控室內(nèi)、與無線通訊裝置無線連接的上位機(jī)，所述數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)置于飛行器內(nèi)部，執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置位于飛行器的旋翼底部，無線通訊裝置位于飛行器的上端，所述數(shù)據(jù)采集裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置、無線通訊裝置均與主控制器電氣連接。
[0006]本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)在于:所述數(shù)據(jù)采集裝置包括MEMS陀螺儀、三軸加速度傳感器、全向磁場傳感器以及靜壓高度計(jì)，分別采集飛行器飛行過程中的角速度、加速度、磁阻以及氣壓高度信號，從而實(shí)現(xiàn)飛行器飛行姿態(tài)精確控制性。
[0007]本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)在于:所述MEMS陀螺儀的數(shù)量為3只、采用ADIS16100數(shù)字陀螺，3個(gè)MEMS陀螺儀按X-Y-Z軸兩兩垂直的方式安裝于飛行器前端，其中X、Y、Z軸分別檢測滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航角速率；所述三軸加速度傳感器為LIS3LV02DL三軸數(shù)字加速度計(jì)，位于飛行器底部；所述全向磁場傳感器采用HMC5833L三軸磁強(qiáng)計(jì)，位于飛行器后端，用于鎖定航向，與三軸加速度傳感器組合成的電子羅盤用于為飛行器導(dǎo)航提供可靠的高精度方向信息；所述靜壓高度計(jì)采用MS5540C靜壓高度計(jì)，最高精度達(dá)15 cm，測量精度高，位于飛行器三軸加速度傳感器右側(cè)，從而獲取飛行器當(dāng)前的經(jīng)緯度坐標(biāo)、高度、速度信息；LIS3LV02DL三軸數(shù)字加速度計(jì)和MEMS陀螺儀螺通過SPI接口與STM32F103C8T6進(jìn)行通訊，HMC5833L三軸磁強(qiáng)計(jì)通過簡易的I2C總線與STM32F103C8T6相連接。從而保障飛行器飛行姿態(tài)的控制精確性。
[0008]本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)在于:所述主控制器以STM32F103C8T6 ARM7處理器為控制核心，所述無線通訊裝置為ZigBee無線通訊裝置，采用STM32F103C8T6 ARM7處理器具有高性能、低成本、低功耗優(yōu)點(diǎn)的嵌入式處理器，采用該處理器使得整個(gè)飛行器外設(shè)資源少、結(jié)構(gòu)簡單，重量輕、且功耗低；通過ZigBee無線通訊裝置將飛行器的通訊數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至PC上位機(jī)，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測飛行器姿態(tài)。
[0009]本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)在于:所述PC上位機(jī)采用MCGS。即監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制。
[0010]本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)在于:所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置包括無刷電機(jī)、與無刷電機(jī)相匹配的無刷電調(diào)；所述無刷電調(diào)采用SKYWALKER 20A無刷電調(diào)，持續(xù)輸出20A電流，短時(shí)電流25A，針對四旋翼飛行器采用無刷電機(jī)，無刷電機(jī)具有更大的動力、更長的飛行時(shí)間、更高的使用效率、更長的使用壽命、并且具有噪音小、抗干擾強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，提高飛行器的穩(wěn)定性。
[0011]本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)在于:所述無刷電機(jī)和無刷電調(diào)均為四個(gè)，分別位于飛行器的四個(gè)旋翼底部，無刷電調(diào)的信號端分別與控制核心STM32F103C8T6 ARM7處理器的任意四個(gè)GPIO 口相連。
[0012]本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)在于:所述控制核心STM32F103C8T6 ARM7處理器的第42引腳PB6、第43引腳PB7兩個(gè)GPIO 口復(fù)用為SCL、SDA,并通過這兩根總線與HMC5833L三軸磁強(qiáng)計(jì)的SCL與SDA相連，STM32F103C8T6通過RXD接收ZigBee發(fā)來的信號，通過TXD發(fā)送數(shù)據(jù)給ZigBee,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。
[0013]本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)在于:所述控制核心STM32F103C8T6 ARM7處理器的第30引腳PA9、第31引腳PAlO分別復(fù)用為TXD、RXD，兩個(gè)引腳與ZigBee無線通訊裝置的RXD、TXD相連。
[0014]本實(shí)用新型有益效果:通過數(shù)據(jù)采集裝置:3只MEMS陀螺儀、三軸加速度傳感器和全向磁場傳感器以及靜壓高度計(jì)，對飛行器的姿態(tài)進(jìn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使飛行器按照既定的姿態(tài)運(yùn)動，飛行姿態(tài)控制精度高；通過在飛行器上增設(shè)ZigBee無線通訊裝置，從而實(shí)現(xiàn)了用上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測飛行器姿態(tài)的功能。采用以STM32系列處理器中的STM32F103C8T6微處理器為控制核心的飛行器與傳統(tǒng)的飛行器相比可大大降低系統(tǒng)的開發(fā)成本、節(jié)約資源，且整個(gè)飛行器的結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、且功耗低、外設(shè)資源少，并且實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器的姿態(tài)控制精確度，提高了飛行器飛行的穩(wěn)定性。
[0015]本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單、功耗低，能有效、精確、穩(wěn)定的控制飛行器的飛行姿態(tài)，且飛行時(shí)間長、使用壽命長，同時(shí)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0018]圖3為本實(shí)用新型中的HMC5833L三軸磁強(qiáng)計(jì)與STM32F103C8T6微處理器的電氣連接圖。
[0019]圖4為本實(shí)用新型中的STM32F103C8T6微處理器與ZigBee無線數(shù)據(jù)裝置的電氣連接圖。
[0020]其中:1-主控制器，2-數(shù)據(jù)采集裝置，3-執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置，4-無線通訊裝置，
5-上位機(jī)，6-MEMS陀螺儀，7-三軸加速度傳感器，8-全向磁場傳感器，9-靜壓高度計(jì)，10-旋翼。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為了加深對本實(shí)用新型的理解，下面將結(jié)合實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳述，該實(shí)施例僅用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限定。
[0022]如圖1-4所示，本實(shí)施例提供了一種基于嵌入式的四旋翼自主飛行器，包括設(shè)置于飛行器上的主控制器1、數(shù)據(jù)采集裝置2、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置3、無線通訊裝置4，以及設(shè)置于飛行器監(jiān)控室內(nèi)、與無線通訊裝置4無線連接的上位機(jī)5，所述數(shù)據(jù)采集裝置2設(shè)置于飛行器內(nèi)部，執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置3位于飛行器的旋翼10底部，無線通訊裝置4位于飛行器的上端，所述數(shù)據(jù)采集裝置2、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置3、無線通訊裝置4均與主控制器I電氣連接。所述數(shù)據(jù)采集裝置2包括MEMS陀螺儀6、三軸加速度傳感器7、全向磁場傳感器8以及靜壓高度計(jì)9。所述MEMS陀螺儀6的數(shù)量為3只、采用ADIS16100數(shù)字陀螺，3個(gè)MEMS陀螺儀按χ-y-ζ軸兩兩垂直的方式安裝于飛行器前端，其中X、Y、Z軸分別檢測滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航角速率；所述三軸加速度傳感器7為LIS3LV02DL三軸數(shù)字加速度計(jì)，位于飛行器底部；所述全向磁場傳感器8采用HMC5833L三軸磁強(qiáng)計(jì)，位于飛行器后端，與三軸加速度傳感器7組合成的電子羅盤用于為飛行器導(dǎo)航提供可靠的高精度方向信息；所述靜壓高度計(jì)9采用MS5540C靜壓高度計(jì)，最高精度達(dá)15 cm，位于三軸加速度傳感器7右側(cè)。LIS3LV02DL三軸數(shù)字加速度計(jì)和MEMS陀螺儀螺通過SPI接口與STM32F103C8T6進(jìn)行通訊，HMC5833L三軸磁強(qiáng)計(jì)通過簡易的I2C總線與STM32F103C8T6相連接。從而保障飛行器飛行姿態(tài)的控制精確性。所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置3包括無刷電機(jī)、與無刷電機(jī)相匹配的無刷電調(diào)；所述無刷電調(diào)采用SKYWALKER 20A無刷電調(diào)，持續(xù)輸出20A電流，短時(shí)電流25A。所述無刷電機(jī)和無刷電調(diào)均為四個(gè)，分別位于飛行器各旋翼10底部，無刷電調(diào)的信號端分別與控制核心STM32F103C8T6 ARM7處 理器的任意四個(gè)GPIO 口相連。如圖3所示，所述控制核心STM32F103C8T6 ARM7處理器的第42引腳PB6、第43引腳PB7兩個(gè)GPIO 口復(fù)用為SCL、SDA,并通過這兩根總線與HMC5833L三軸磁強(qiáng)計(jì)的SCL與SDA相連。如圖4所示，所述控制核心STM32F103C8T6 ARM7處理器的第30引腳PA9、第31引腳PAlO分別復(fù)用為TXD、RXD，兩個(gè)引腳與ZigBee無線通訊裝置的RXD、TXD相連，STM32F103C8T6通過RXD接收ZigBee發(fā)來的信號，通過TXD發(fā)送數(shù)據(jù)給ZigBee，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。。
[0023]其中，
[0024]所述主控制器I以STM32F103C8T6 ARM7處理器為控制核心，STM32系列處理器是一款基于高性能、低成本、低功耗要求的嵌入式處理器，應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3低功耗高速內(nèi)核。是整個(gè)裝置的控制核心，它負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)采集裝置2采集來的信號進(jìn)行處理，并控制各旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
[0025]無線通訊裝置4,采用ZigBee無線通訊裝置，ZigBee是一種短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，且是一種低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。它通過TXD、RXD兩根總線與STM32F103C8T6進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸，其中TXD用于發(fā)送數(shù)據(jù)，RXD用于接收數(shù)據(jù)；STM32F103C8T6在接收到ZigBee的數(shù)據(jù)后，再與PC上位機(jī)進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)PC上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測飛行器的功能。
[0026]PC上位機(jī):采用的是MCGS。MCGS,即監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制。
[0027]本實(shí)施例的工作原理:數(shù)據(jù)采集裝置2對飛行器的姿態(tài)信號進(jìn)行采集，再送到主控制器I進(jìn)行處理，主控制器I得到飛行器的姿態(tài)后，發(fā)送控制信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置3，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使飛行器按照既定的姿態(tài)運(yùn)動。同時(shí)，ZigBee無線通訊裝置與主控制器I進(jìn)行通訊，傳輸數(shù)據(jù)，主控制器I將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)5，從而實(shí)現(xiàn)了用上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測飛行器姿態(tài)的功能?；赟TM32的飛行控制器與傳統(tǒng)的飛行控制器相比可大大降低系統(tǒng)的開發(fā)成本、節(jié)約資源，且整個(gè)飛行器的結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、且功耗低、外設(shè)資源少，并且實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器的姿態(tài)控制精確度，增強(qiáng)了裝置的穩(wěn)定性。
【權(quán)利要求】
1.一種基于嵌入式的四旋翼自主飛行器，其特征在于:包括設(shè)置于飛行器上的主控制器(I)、數(shù)據(jù)采集裝置(2)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置(3)、無線通訊裝置(4)，以及設(shè)置于飛行器監(jiān)控室內(nèi)、與無線通訊裝置(4)無線連接的上位機(jī)(5)，所述數(shù)據(jù)采集裝置(2)設(shè)置于飛行器內(nèi)部，執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置(3)位于飛行器的旋翼(10)底部，無線通訊裝置(4)位于飛行器的上端，所述數(shù)據(jù)采集裝置(2)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置(3)、無線通訊裝置(4)均與主控制器(I)電氣連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于嵌入式的四旋翼自主飛行器，其特征在于:所述數(shù)據(jù)采集裝置(2)包括MEMS陀螺儀(6)、三軸加速度傳感器(7)、全向磁場傳感器(8)以及靜壓高度計(jì)(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于嵌入式的四旋翼自主飛行器，其特征在于:所述MEMS陀螺儀(6)的數(shù)量為3只、采用ADIS16100數(shù)字陀螺，3個(gè)MEMS陀螺儀按X-Y-Z軸兩兩垂直的方式安裝于飛行器前端，其中X、Y、Z軸分別檢測滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航角速率；所述三軸加速度傳感器(7)為LIS3LV02DL三軸數(shù)字加速度計(jì)，位于飛行器底部；所述全向磁場傳感器(8)采用HMC5833L三軸磁強(qiáng)計(jì)，位于飛行器后端，與三軸加速度傳感器(7)組合成的電子羅盤用于為飛行器導(dǎo)航提供可靠的高精度方向信息；所述靜壓高度計(jì)(9)采用MS5540C靜壓高度計(jì)，最高精度達(dá)15 cm，位于三軸加速度傳感器(7)右側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于嵌入式的四旋翼自主飛行器，其特征在于:所述主控制器(I)以STM32F103C8T6 ARM7處理器為控制核心，所述無線通訊裝置(4)為ZigBee無線通訊裝置，所述上位機(jī)(5)為PC上位機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于嵌入式的四旋翼自主飛行器，其特征在于:所述PC上位機(jī)采用MCGS。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于嵌入式的四旋翼自主飛行器，其特征在于:所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置(3)包括無刷電機(jī)、與無刷電機(jī)相匹配的無刷電調(diào)；所述無刷電調(diào)采用SKYffALKER 20Α無刷電調(diào)，持續(xù)輸出20Α電流，短時(shí)電流25Α。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于嵌入式的四旋翼自主飛行器，其特征在于:所述無刷電機(jī)和無刷電調(diào)均為四個(gè)，分別位于飛行器的四個(gè)旋翼(10)的底部，無刷電調(diào)的信號端分別與控制核心STM32F103C8T6 ARM7處理器的任意四個(gè)GPIO 口相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種基于嵌入式的四旋翼自主飛行器，其特征在于:所述控制核心STM32F103C8T6 ARM7處理器的第42引腳ΡΒ6、第43引腳ΡΒ7兩個(gè)GPIO 口復(fù)用為SCL、SDA,并通過這兩根總線與HMC5833L三軸磁強(qiáng)計(jì)的SCL與SDA相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于嵌入式的四旋翼自主飛行器，其特征在于:所述控制核心STM32F103C8T6 ARM7處理器的第30引腳ΡΑ9、第31引腳PAlO分別復(fù)用為TXD、RXD，兩個(gè)引腳與ZigBee無線通訊裝置的RXD、TXD相連。
【文檔編號】G05D1/08GK203759544SQ201420118553
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月17日
【發(fā)明者】陳孟元, 謝義建, 陶明, 馮光輝, 袁苑, 朱楓, 呂亞運(yùn), 汪鵬, 方華健 申請人:安徽工程大學(xué)