一种新型航拍四旋翼飞行装置的制作方法

本实用新型属于航空领域，主要涉及一种新型航拍四旋翼飞行装置，可以灵活应用于多个实用领域。

背景技术：

如今无人机日益发展，越来越智能化、人性化、小型化和实用化，并且已经运用到军事、民事及生活的各个角落中，小到儿童玩具，大到抢险救灾，无人机在人们的生活中扮演的角色真可谓是数不胜数，尤其现在流行的航拍四旋翼飞行器，人们在上面添加了摄像头，通过遥控器随心所欲的控制其姿态并可抓拍自己看到的图像，而且可以去人一般很难到达的地方进行拍摄甚至执行任务，这样极大地方便了人们的生活，更让人们的生活变得丰富多彩且充满乐趣无，无人机的发展前景可谓是很广阔。

航拍四旋翼飞行器已经普及人们的生活娱乐中，但是成本高，尤其航拍设备价格昂贵，虽然能够实现视频实时传输，需要添加高速传输的无线设备（比如WIFI模块等）和显示视频的大屏幕的液晶屏。最常见的航拍四旋翼飞行器是在四旋翼上装多个处理器，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、无线通信、复杂数据处理等，同时利用无线图像传输设备传将视频图像传回地面，虽然这样效率很高，但是存在一些问题，如高性能的多处理器、高速的无线图像传输设备等这些必然造成设计成本增加，生产工艺复杂。面对成本的这种状况其售价必然大部分人很难接受，这样不利于四旋翼的普及。另外一方面大部分航拍时实时传输，并不能实现视频数据存储，这样不利于数据查看。同时大部分四轴飞行器只是将简单的控制程序移植到处理器中，这样难免会使系统抛锚，造成系统不稳定。针对目前航拍四旋翼飞行器成本高、不能存储视频、制作工艺复杂且CPU执行效率低、不稳定等原因，研究一种性能高、稳定性好、能进行视频数据存储且成本较低的航拍四旋翼在该领域有着重要的意义。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种新型航拍四旋翼飞行装置，其轻巧灵活，性能稳定，价格低廉，可以通过遥控器控制飞行器的姿态，而且能够通过摄像头实时采集图像并将其存入SD卡中。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：装置包括控制器、姿态传感器、电子调速器模块、无刷电机、图像采集模块、存储模块和遥控器，姿态传感器、图像采集模块和存储模块均与控制器相连，控制器通过连接的电子调速器模块控制无刷电机，控制器中移植入uCOS-II操作系统，通过姿态传感器采集姿态数据，并经过滤波、四元数、欧拉角转换，最终转换为姿态角，将其送入控制器，装置以串级PID作为主要控制算法，将遥控器的数据经过转换作为串级PID外环期望值，将传感器测得角速度及角度分别作为内外环的控制量，最后将串级PID的输出值经过融合作为四旋翼飞行装置中电子调速器模块的输入量，进而控制无刷电机，保证四旋翼的平衡并控制其姿态，同时通过图像采集模块将采集的视屏数据送入控制器经过滤波处理，将其以MP4格式存入存储模块中，用于计算机查看所拍摄的视屏，遥控器包括遥控发射机和遥控接收机，遥控接收机连接控制器，用户操作遥控发射机，实现无线控制。

作为优选，控制器为32位单片机，其中移植入uCOS-II操作系统，保证装置的稳定性及高效性。

作为优选，姿态传感器为6轴运动传感器和磁力计，通过I²C接口与32位单片机相连。

作为优选，图像采集模块为微型高清摄像头。

作为优选，遥控器为6通道2.4G遥控器。

作为优选，存储模块为SD卡。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：设计新颖，功能实用，可以通过遥控器控制四旋翼飞行装置的姿态及航拍的起止，同时可以将所拍摄的视屏数据存入SD卡便于查看，控制器中移植了uCOS-II操作系统，不仅保证了系统的稳定性，而且也提高了程序的执行效率，装置成本低，具有良好的推广价值。

附图说明：

图1为本实用新型所述一种新型航拍四旋翼飞行装置的结构框图；

图2为本实用新型所述控制器中电源电路；

图3为本实用新型所述控制器的复位电路；

图4为本实用新型所述控制器的振荡电路；

图5为本实用新型所述姿态传感器中的磁力计与控制器的连接电路；

图6为本实用新型所述姿态传感器中的6轴运动传感器与控制器的连接电路；

图7为本实用新型所述电子调速器模块与控制器连接电路；

图8为本实用新型所述遥控器接收机与控制器连接电路；

图9为本实用新型所述图像采集模块与控制器连接电路；

图10为本实用新型所述串级PID算法流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

作为本实用新型的一种实施方式，本实用新型包括控制器、姿态传感器、电子调速器模块、无刷电机、图像采集模块、存储模块和遥控器，姿态传感器、图像采集模块和存储模块均与控制器相连，控制器通过连接的电子调速器模块控制无刷电机，控制器中移植入uCOS-II操作系统，通过姿态传感器采集姿态数据，并经过滤波、四元数、欧拉角转换，最终转换为姿态角，将其送入控制器，装置以串级PID作为主要控制算法，将遥控器的数据经过转换作为串级PID外环期望值，将传感器测得角速度及角度分别作为内外环的控制量，最后将串级PID的输出值经过融合作为四旋翼飞行装置中电子调速器模块的输入量，进而控制无刷电机，保证四旋翼的平衡并控制其姿态，同时通过图像采集模块将采集的视屏数据送入控制器经过滤波处理，将其以MP4格式存入存储模块中，用于计算机查看所拍摄的视屏，遥控器包括遥控发射机和遥控接收机，遥控接收机连接控制器，用户操作遥控发射机，实现无线控制，一种新型航拍四旋翼飞行装置的结构框图如图1所示，所述控制器为32位单片机，其中移植入uCOS-II操作系统，保证装置的稳定性及高效性。姿态传感器为6轴运动传感器和磁力计，通过I²C接口与32位单片机相连。图像采集模块为微型高清摄像头。遥控器为6通道2.4G遥控器。存储模块为SD卡。

优选的是，所述控制器选用STM32F103CBT6型号的32位单片机，所述姿态传感器中6轴运动传感器选用MPU6050，所述姿态传感器中磁力计选用HMC5883L，所述电子调速器模块选用新西达电调，所述无刷电机选用新西达A2212型号的1000KV无刷电机，所述图像采集模块选用800万像素的微型摄像头，所述遥控器选用六通道富士通遥控器和接收机。

所述的控制器为32位单片机STM32F103CBT6，其最小系统包括电源电路、复位电路和振荡电路，图2为电源电路，图3为复位电路，图4为振荡电路。系统采用5200mh容量的12v锂电池供电，经过电子调速器模块内部转换电路输出5v电压，在经过ASM1117转化为3.3v为32位单片机STM32F103CBT6供电，如图2所示，复位电路是通过按键按下产生低脉冲让系统复位，如图3所示，振荡电路是通过外接8M晶振为系统提供时钟源，如图4所示。

所述的姿态传感器为6轴运动传感器MPU6050和磁力计HMC5883L，两者均为I²C接口，其中MPU6050内部集成陀螺仪与加速度计，同时其内部可配置主从模式，即可在AUX_DA与AUX_CL上挂载其它I²C接口的器件，设计中将HMC5883L磁力计挂载在MPU6050上，而将MPU6050的SDA、SCL直接连接在32位单片机STM32F103CBT6上，姿态传感器中的磁力计与控制器的连接电路如图5所示，姿态传感器中的6轴运动传感器与控制器的连接电路如图6所示。

所述电子调速器模块与控制器连接电路如图7所示，电调输出端A、B、C分别与电机三根线相连，VCC1、GND与12V电源通过开关相连，VCC2、GND是12V电压经过电调内部转化出的5V输出接口，该5v再经过3.3v转化电路变为3.3v为单片机及传感器供电，图中PWM_IN为信号输入端，直接连在单片机的PWM波输出接口上，通过单片机内部输出PWM信号控制其电子调速器模块，进而控制无刷电机转速。

所述遥控器接收机与控制器连接电路如图8所示，遥控器主要包括遥控发射机与遥控接收机，两者均为6通道，其中遥控发射机为一个单独模块，遥控接收机直接与32位单片机STM32F103CBT6，遥控接收机为5V供电，六个通道分别为CH1、CH2、CH3、CH4、CH5、CH6 ，通过遥控器发射机发出6通道PPM信号，接收机将信号变为六个通道的PWM信号，再通过单片机的输入捕获模式捕捉该信号，以此完成遥控器与航拍四旋翼飞行装置中控制系统的信息交互。

所述图像采集模块与控制器连接电路如图9所示，该模块共三个脚，其中两个为电源端，采用3.3v供电，另外一个为信号控制端，直接与32位单片机STM32F103CBT6的PB0口相连，通过单片机给低脉冲信号，控制其进行拍摄的起止。

所述串级PID算法流程图如图10所示，外环为角度环，内环为角速度环，先把遥控器的数值经过换算变为0-20度的角度值以此作为外环的期望值，再把外环的输出作为内环PID的期望值。而内环的输出经过融合限幅后作为电机的控制量，以此来完成航拍四旋翼飞行装置平衡自适应控制。

使用时，通过6轴运动传感器采集姿态数据，通过六通道2.4G遥控器控制四旋翼实现左右、前后、旋转、上下运动、航拍的起止和存储功能。装置共用到遥控器5个通道，通道1-5的功能分别是实现前后、左右、旋转、油门（上下）及航拍控制。初次使用该装置时，需要设定油门航程，即刚上电时先将通过遥控器摇杆将油门（通道4）打到最大，听到电机两声短叫声后，2s内将油门打到最小，当听到电机三短一长的叫声则设定完成。后面再次使用时，初始化只需将油门推到最小，当听3短1长叫声后则初始化完成，然后通过遥控发射机控制通道1的摇杆打到最大（最上），则完成解锁，然后通过遥控器发射机摇杆操作发出五通道信号，当接收机接收到5个通道信号后，将1-4通道数据经过处理作为串级PID外环期望值，将6轴运动传感器及磁力计采集的姿态数据经过融合、转换，所得的角度作为外环的反馈量，将外环的输出作为内环的期望值，6轴运动传感器所得的角速度作为内环的反馈量，就这样外环角度环、内环角速度环，将最终输出转化为PWM信号送给电子调速器进而控制无刷电机，从而通过1-4通道分别实现其前后、左右、旋转、上下控制，同时通过遥控发射机的通道5开关控制其航拍，开关打开时，图像采集模块采集视频数据进行拍摄，否则停止航拍并通过存储模块将视频存储。

以上所述的实施例，所涉及的数据和计算方法仅作为示意性说明，举凡依本实用新型申请专利范围所做的等同设计，均应为本实用新型的技术所涵盖。