一種用于四旋翼飛行器的模塊式控制板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于無人機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種控制板，特別是一種適用于四旋翼飛 行器的模塊式控制板，其采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有通用性高、易維護(hù)、參數(shù)可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)等 特點(diǎn)。
【背景技術(shù)】：
[0002] 四旋翼飛行器是一種六自由度垂直起降飛行器，能夠完成懸停、低速飛行、垂直起 降和室內(nèi)飛行等固定翼飛機(jī)無法完成的任務(wù)，也是一種具有四個(gè)呈十字形交叉結(jié)構(gòu)螺旋槳 的飛行器，相對(duì)的四旋翼具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，與傳統(tǒng)意義上的直升機(jī)相比，其具有結(jié)構(gòu)和 控制簡單、制造精度要求低、穩(wěn)定性好、較弱的陀螺效應(yīng)等優(yōu)勢，因而在無人偵察、交通管 理、森林防火、城市巡邏等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，成為國際上的研究熱點(diǎn)。四旋翼飛行器 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行與巡航的前提是通過一定方式調(diào)節(jié)其飛行參數(shù)，并對(duì)飛行過程中的飛行器進(jìn) 行遙控。飛行參數(shù)和遙控指令決定了飛行器的飛行平穩(wěn)度和飛行方向，因此飛行器的遙控 和參數(shù)調(diào)節(jié)方式在飛行器的控制方面格外重要；另外，由于四旋翼飛行器的控制部分由驅(qū) 動(dòng)模塊、無線通訊模塊以及控制模塊等多個(gè)負(fù)責(zé)不同功能的模塊構(gòu)成，因此各個(gè)模塊之間 連接與拆卸的方便性也較為重要。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中的四旋翼飛行器大都存在以下缺點(diǎn)：
[0004] (1)結(jié)構(gòu)方面:市面上大部分四旋翼飛行器采用了一體式的結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)雖然方 便量產(chǎn)也符合美觀，但是不能滿足廣大四旋翼專業(yè)用戶對(duì)機(jī)體的可模塊化拆卸訴求，在遇 到電路上某個(gè)模塊損壞的情況下，往往需要更換整個(gè)控制電路或驅(qū)動(dòng)電路，這對(duì)于用戶來 說更換的成本太高，而且也造成了不必要的浪費(fèi)；
[0005] (2)控制芯片方面：市面上絕大多數(shù)飛行控制芯片使用的是國外的16位及32位單 片機(jī)，成本較高的同時(shí)使得國內(nèi)飛行控制芯片市場長期萎靡。因此本發(fā)明設(shè)計(jì)出一種新型 的適用于四旋翼飛行器的模塊式控制板，以國產(chǎn)芯片作為控制芯片，通過模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 配備的遙控器和上位機(jī)軟件進(jìn)行遙控和參數(shù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種用于四旋翼飛行器的模塊 式控制板，不僅打破了國外芯片在飛行控制板市場的壟斷地位，而且易于改裝調(diào)試方便控 制。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的用于四旋翼飛行器的模塊式控制板主體結(jié)構(gòu)包 括主控模塊、無線模塊、陀螺儀模塊、電源及穩(wěn)壓電路、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊，電源及穩(wěn)壓電路分 別與主控模塊、無線模塊、陀螺儀模塊和電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊電連接以提供電源，主控模塊分別 與無線模塊、陀螺儀模塊和電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊電連接，用于接受并處理來自無線模塊和陀螺 儀模塊的數(shù)據(jù)信息，無線模塊負(fù)責(zé)傳輸控制信息，陀螺儀模塊用于檢測飛行姿態(tài)，電機(jī)及驅(qū) 動(dòng)模塊在主控模塊產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制下為飛行器提供動(dòng)力；主控模塊與陀螺儀模塊之間 通過I2C協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通訊，主控模塊與無線模塊之間通過SPI協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通 訊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器的模塊式控制。
[0008] 進(jìn)一步的，所述主控模塊為宏晶科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為IAP15W4K58S4的8位 單片機(jī)，相比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)在性能上有了提升且資源豐富；相較于國外的16位及32位 單片機(jī)成本較低，但性能能夠達(dá)到控制四旋翼飛行器平穩(wěn)飛行的要求;主要功能是接收來 自陀螺儀模塊的角度信息并求解出四元數(shù)以得出當(dāng)前姿態(tài)，并根據(jù)控制算法產(chǎn)生四路PWM 信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到調(diào)節(jié)四旋翼飛行器姿態(tài)的目的。
[0009] 進(jìn)一步的，所述無線模塊為NRF24L01芯片，該芯片是由NORDIC生產(chǎn)的工作在 2.4GHz-2.5GHz ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片；主要功能是接收來自外部獨(dú)立配置的遙 控器的指令并發(fā)送給主控模塊；無線模塊與主控模塊單片機(jī)的P6.1、P6.2、P6.3、P1.0、 P1.1、P4.7引腳相接。
[0010] 進(jìn)一步的，所述陀螺儀模塊為MPU6050，MPU6050是六軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器，它集成了 三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計(jì)，其對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16位的ADC;主 要功能是將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，并通過I 2C接口與主控模塊進(jìn)行通訊； 陀螺儀模塊與主控模塊單片機(jī)的P0. 〇和P4.6引腳相接。
[0011] 進(jìn)一步的，所述電源及穩(wěn)壓電路為3.7V高倍率航模電池和升壓降壓電路，該電路 是先將3.7V的電源電壓升壓到5V然后再降壓到3.3V后以獲得供給各個(gè)模塊的標(biāo)準(zhǔn)工作電 壓。
[0012] 進(jìn)一步的，所述電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊為高速空心杯電機(jī)和M0S管，其采用高速空心杯電 機(jī)為動(dòng)力裝置，采用M0S管作為功率管；電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊與主控模塊單片機(jī)的P2.1、P2.2、 P2.3、P3.7引腳相接。
[0013]優(yōu)選的，所述模塊式控制板能夠通過USB接口連接上位機(jī)軟件，該上位機(jī)軟件包括 飛行姿態(tài)顯示和飛行姿態(tài)控制兩部分，以分別實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)或修改四旋翼飛行器PID參數(shù)與顯 示飛行姿態(tài)的功能。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，使用的控制芯片為國產(chǎn)8位單片機(jī)，有效降低了成本，采 用模塊式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，使得單一模塊可拆卸更換從而降低了維修成本，同時(shí)也為不同 需求的用戶提供了多種選擇;控制板上預(yù)留有與上位機(jī)軟件連接的接口，以便于對(duì)飛行參 數(shù)調(diào)整修改和飛行姿態(tài)算法的升級(jí);整體控制板結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，易于操作。
【附圖說明】：
[0015] 圖1為本發(fā)明涉及的用于四旋翼飛行器的模塊式控制板中控制電路的結(jié)構(gòu)模塊示 意圖。
[0016] 圖2為本發(fā)明中涉及的主控模塊的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖3為本發(fā)明涉及的陀螺儀模塊的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖4為本發(fā)明涉及的無線模塊的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0019] 圖5為本發(fā)明涉及的電源及穩(wěn)壓電路的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖6為本發(fā)明涉及的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0021 ]圖7為本發(fā)明涉及的飛行姿態(tài)顯示流程圖。
[0022]圖8為本發(fā)明實(shí)施例3中涉及的上位機(jī)軟件主窗口。
[0023]圖9為本發(fā)明實(shí)施例3中涉及的3D模型控件。
[0024]圖10為本發(fā)明實(shí)施例3中涉及的PID參數(shù)調(diào)節(jié)流程圖。
[0025] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例3中涉及的指令代碼。
【具體實(shí)施方式】：
[0026] 下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述，但本發(fā)明并不僅限于以下實(shí) 施方式。
[0027] 實(shí)施例1:
[0028]本實(shí)施例涉及的用于四旋翼飛行器的模塊式控制板主體結(jié)構(gòu)包括主控模塊1、無 線模塊2、陀螺儀模塊3、電源及穩(wěn)壓電路4、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊5,電源及穩(wěn)壓電路4分別與主控 模塊1、無線模塊2、陀螺儀模塊3和電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊5電連接以提供電源，主控模塊1分別與 無線模塊2、陀螺儀模塊3和電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊5電連接，用于接受并處理來自無線模塊2和陀 螺儀模塊3的數(shù)據(jù)信息，無線模塊2負(fù)責(zé)傳輸控制信息，陀螺儀模塊3用于檢測飛行姿態(tài)，電 機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊5在主控模塊1產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制下為飛行器提供動(dòng)力;主控模塊1與陀螺儀 模塊3之間通過I2C協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通訊，主控模塊1與無線模塊2之間通過SPI協(xié)議進(jìn)行 數(shù)據(jù)傳輸通訊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器的模塊式控制。
[0029]本實(shí)施例中涉及的主控模塊1為宏晶科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為IAP15W4K58S4的 8位單片機(jī)(如圖2所示），相比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)在性能上有了很大提升且資源豐富；相較 于國外的16位及32位單片機(jī)成本較低，但性能能夠達(dá)到控制四旋翼飛行器平穩(wěn)飛行的要 求;主要功能是接收來自陀螺儀模塊3的角度信息并求解出四元數(shù)以得出當(dāng)前姿態(tài)，并根據(jù) 控制算法產(chǎn)生四路PWM信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到調(diào)節(jié)四旋翼飛行器姿態(tài)的目的。
[0030] 本實(shí)施例中涉及的無線模塊2為NRF24L01芯片（如圖3所示），該芯片是由NORDIC生 產(chǎn)的工作在2.4GHz-2.5GHz ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片；主要功能是接收來自外部獨(dú) 立配置的遙控器的指令并發(fā)送給主控模塊1;其與單片機(jī)的P6.1、P6.2、P6.3、P1.0、P1.1、 P4.7引腳相接。
[0031] 本實(shí)施例涉及的陀螺儀模塊3為MPU6050(如圖4所示），MPU6050是6軸運(yùn)動(dòng)處理傳 感器，它集成了 3軸MEMS陀螺儀、3軸MEMS加速度計(jì)，其對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16 位的ADC;主要功能是將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，并通過I2C接口與主控模 塊1進(jìn)行通訊;其與單片機(jī)的P0.0和P4.6引腳相接。
[0032] 本實(shí)施例中涉及的電源及穩(wěn)壓電路4為3.7V高倍率航模電池和升壓降壓電路(如 圖5所示），該電路是先將3.7V的電源電壓升壓到5V然后再降壓到3.3V后獲得的供給各個(gè)模 塊的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓。
[0033] 本實(shí)施例中涉及的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊5為高速空心杯電機(jī)和M0S管（如圖6所示），其 采用高速空心杯電機(jī)為動(dòng)力裝置，由于電機(jī)高速運(yùn)作時(shí)電壓電流過大產(chǎn)生大量熱量，因此 采用M0S管作為功率管;其與單片機(jī)的P2.1、P2.2、P2.3、P3.7引腳相接。
[0034] 實(shí)施例2:
[0035] 本實(shí)施例以實(shí)施例1中所述的用于四旋翼飛行器的模塊式控制板為例，其具體工 作流程為：
[0036] (1)電源及穩(wěn)壓電路4為控制板各個(gè)模塊的正常工作提供合適的電源，控制板上電 后初始化各模塊并開啟中斷，此時(shí)若接收到校準(zhǔn)信號(hào)則對(duì)陀螺儀3進(jìn)行清零，否則主控模塊 1接收來自陀螺儀模塊3的數(shù)據(jù)并進(jìn)行Kalman濾波，利用四元數(shù)解算出傾角以得到當(dāng)前四旋 翼飛行器的姿態(tài)，應(yīng)用基于數(shù)字PID的四旋翼飛行器飛行控制方法（即比例-積分-微分控 制），通過選擇控制增益使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)期望性能，通過上位機(jī)軟件對(duì)四旋翼飛行器的參數(shù)進(jìn)行 調(diào)整以獲得更好的性能;所