一种基于APM飞控板的旋翼无人机及其控制系统的制作方法

本设计属于无人机领域，更具体的说涉及一种基于APM飞控板的旋翼无人机及其控制系统。

背景技术：

飞行器依据机翼类型可分为固定翼飞行器和旋翼飞行器。在过去的几十年里，固定翼无人飞行器已经有较成熟的技术，相对固定翼无人飞行器，旋翼飞行器的发展却较为缓慢，这是因为旋翼无人飞行器的控制较固定翼复杂，早期的技术水平无法实现飞行器的自主飞行控制；然而，旋翼飞行器却拥有其自身独特的优点：机械结构较为简单，便于拆卸，只需要协调旋翼电机的转速即可实现控制，飞行较为灵活；不受较大机翼的限制，能够应用于各种环境中；具备自主起飞和降落的功能，系统高度智能，可以实现较多的飞行姿态，例如：垂直悬停、自主起降、导航飞行等，且飞行器姿态保持能力较高，这些优势也就决定了旋翼飞行器在未来将有着更为广阔的应用前景。

技术实现要素：

本实用新型主要解决的技术问题是：设计一种机身结构便于拆卸，有自动导航飞行与手动操作飞行两种工作模式，能够自主起降、悬停、导航飞行的旋翼无人机。

为解决上述问题，本实用新型通过以下技术方案实现的：所述的基于APM飞控板的旋翼无人机包括螺旋桨叶片11、旋翼连接杆12、起落架13、起落架连接杆14、机身15、横向连接杆16、控制系统；所述的控制系统包括主控模块1、电源模块2、惯性导航模块3、GPS模块4、磁力计模块5、气压计模块6、电子调速器7、直流无刷电机8、遥控模块9；所述的机身15为圆形结构，所述的旋翼连接杆12有八个，八个旋翼连接杆12分别通过螺丝均匀的安装在机身15的圆周方向上，每个旋翼连接杆12的端部安装有一个无刷直流电机8，无刷直流电机8的动力输出端与螺旋桨叶片11连接，起落架13通过起落架连接杆14用螺丝固定安装于机身15的下方，横向连接杆16通过螺丝固定连接于两个起落架连接杆14之间；所述的主控模块1、电源模块2、惯性导航模块3、GPS模块4、磁力计模块5、气压计模块6、遥控模块9安装于无人机机身15内部；电源模块2与主控模块1、惯性导航模块3、GPS模块4、磁力计模块5、气压计模块6的电源端口连接；惯性导航模块3、GPS模块4、磁力计模块5、气压计模块6的输出端分别与主控模块1的传感器信号输入端连接，八个电子调速器7的信号输入端分别与八个主控模块1的信号输出端连接，电子调速器7的电源输出端与直流无刷电机8连接。

优选地，所述的电源模块2包括锂电池、电压检测芯片、报警器，电压检测芯片连接在锂电池的电源输出端，报警器与电压检测芯片输出端连接。

优选地，所述的遥控模块9采用富士FS-TH9X 9通道2.4G无线遥控器，该遥控模块带有接收端和手持发射端，遥控模块9的接收端设置在无人机内部与主控模块1的遥控信号输入端连接。

优选地，所述的无人机带有数传发射模块10，所述的数传发射模块10采用3DR Radio Telemetry数传模块，由Air模块（串口）与Ground模块（USB）组成，所述输数传发射模块10的Air模块设置在无人机机身15内部与主控模块1通过串口连接，Ground模块通过USB接口与装有APM Planner软件的地面站电脑连接。

本实用新型有益效果：

本实用新型起落架连接杆与机身，旋翼连接杆与机身均采用螺丝固定连接，具有快速拆卸的功能，能够实现自主起飞降落、自动飞行、悬停功能，在飞行过程中能够进行飞行航向的修正且把飞行信息通过数据传输模块传输给地面站，电源模块自带有低压报警检测可以实时监视当前电池电量，该实用新型无人机还具有自动飞行模式和手动飞行模式两种飞行方式。

附图说明

图1一种基于APM飞控板的旋翼飞行器外观图；

图2是基于APM飞控板的旋翼无人机的控制系统框图；

图3是ATmega2560微处理器的引脚与电源图；

图4是BMP085气压计原理图；

图5是HMC5883L磁力计原理图；

图6是MPU6000原理图；

图中，1-主控模块、2-电源模块、3-惯性导航模块、4-GPS模块、5-磁力计模块、6-气压计模块、7-电子调速器、8-无刷直流电机、9-遥控模块、10-数传发射摸、11-螺旋桨叶片、12-旋翼连接杆，13-起落架，14-起落架连接杆、15-机身、16-横向连接杆。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。

如图1-6所示，所述的基于APM飞控板的旋翼无人机包括螺旋桨叶片11、机身15、旋翼连接杆12、起落架13、起落架连接杆14、横向连接杆16、控制系统，所述的旋翼连接杆12有八个，八个旋翼连接杆12分别通过螺丝均匀的安装在机身15的圆周方向上，每个旋翼连接杆12的端部安装有一个无刷直流电机8，无刷直流电机8的动力输出端与螺旋桨叶片11连接，起落架13通过起落架连接杆14用螺丝固定安装于机身15的下方，横向连接杆16通过螺丝固定连接于两个起落架连接杆14之间，这样的安装方式便于无人机的快速拆卸与组装；所述的控制系统包括主控模块1、电源模块2、惯性导航模块3、GPS模块4、磁力计5、气压计6、遥控模块9的接收端、数传发射模块10的Air模块且放置于无人机机身15内部。所述的电子调速器7的信号输入端与主控模块1的控制信号输出端连接，电子调速器7的电源输入端与锂电池14输出端连接，电子调速器7的电源输出端与电机8连接。

所述的直流无刷电机8的转轴连接螺旋桨叶片11，所述的GPS 模块4、磁力计5、气压计6分别连接主控模块1的传感器信号输入端，主控模块1所采用的ATmega2560主控芯片作为目前无人机普遍采用的飞控板具有实用性广泛、飞控程序容易获取等优点，APM飞控板的开源程序代码为公知的（详见，https://www.codeforge.cn/article/312450），GPS 模块4把GPS坐标传送给主控模块1的主控芯片，主控模块1对GPS信号进行采样的时候通过两次采样时间差所得到GPS坐标信息，计算既可得到无人机的飞行速度与坐标信息；磁力计5采用HMC588CL，其输出端与主控模块1的传感器信号输入端连接，作为无人机的罗盘来测量地磁方向，测量的地磁方向信息传输给主控模块1无人机可得知自己目前所飞行的方向。气压计6采用BMP085其输出端与主控模块1的输入端连接，用于采集温度与气压数据，采集到的数据传到A/D转换器中进行 A/D 转换，气压计6通过A/D转换完采集的数据后，通过I2C总线把温度和气压数据传给主控模块1，主控模块1再进行相关换算可以获得气压与温度值，由温度与气压值通过对比标准海拔高度气压温度表即可能到无人机当前对应的海拔高度值，从而实现高度测量。所述的惯性导航模块3的MPU6000惯性陀螺导航仪的输出端与主控模块1的输入端连接，惯性导航模块3所采用的MPU6000惯性陀螺导航仪带有数字运动处理器DMP、三轴加速度计和三轴陀螺仪。在无人机飞行过程中通过该惯性导航仪集成的数字运动处理器DMP可以精确的测量出当前无人机的角速度率与加速度。

通过以下控制方法使所述无人机实现自主起降、悬停、导航飞行的功能，起飞前先打开无人机电源模块2开关，检测当前电压是否报警，锂电池电压正常的情况下，用户提供给无人机一个飞行目的地空间坐标位置与飞行时长，无人机通过自身的GPS模块4传递回来的水平坐标信息，磁力计模块5感知的地磁南北信息，气压计模块6计算出的海拔高度信息，主控模块1通过计算得出当前所处的空间坐标信息；主控模块1通过预先设置的目的地空间坐标与当前所处的空间坐标信息计算出最佳飞行路径，计算出最佳路径后主控模块1的控制信号输出端给每个电子调速器7输出相应的控制信号来控制电子调速器7的电源输出端的输出电流大小，从而控制对应的直流无刷电机8与螺旋桨叶片11的转速；当无人机起飞后开始接受惯性导航模块3感知到的无人机加速度与角速度率，再结合实时通过GPS模块4、磁力计模块5、气压计模块6传递回来的水平坐标信息、地磁南北信息、海拔高度信息判断无人机飞行过程中的空间坐标位置与加速度和角速度率，再与预先计算出的最佳飞行路线进行对比；如果偏离了最佳飞行路线则主控模块1通过控制电子调速器7输出电流的大小来控制不同方位的直流无刷电机8与对应的螺旋桨叶片11的转速，从而调整无人机回到最佳的飞行线路上。当无人机到达目标位置后，主控模块1调整八个不同方向的螺旋桨叶片11到相同转速，使无人机悬停到目标位置；在无人机进行悬停过程中主控模块1一直在接受不同传感器传输进来的数据，并且计算当前无人机空间位置，如遇到环境影响偏离目标悬停位置后，主控模块1通过微调不同方位的螺旋桨叶片11的转速使无人机回到目标悬停点；在起飞后主控模块1开始计算飞行时间，当达到预定的飞行时间后，主控模块1通过控制减小八个电子调速器7电源端口的电流输出来降低电机8与螺旋桨叶片11转速，螺旋桨叶片11转速降低其提供的升力降低，无人机开始缓慢下降接触到地面后主控模块1控制电子调速器7关闭其电源输出端的电流输出，螺旋桨叶片11停止转动，实现降落的目的。

所述的遥控模块9的接收端芯片与主控模块1遥控信号输入端连接，在接收端芯片接收到遥控信号后传输给主控模块1，主控模块1对遥控信号的处理得出信号中包含的飞行方位高度等信息后，通过主控模块1的控制信号输出端分别输出控制信号给所对应的电子调速器7，来控制对应电子调速器7电源输出端的电流大小，从而控制对应方位的直流无刷电机8与螺旋桨叶片11的转速，从而达到手动控制无人机的目的。所述的数传发射模块10由Air模块（串口）与Ground模块（USB）两部分构成，Air模块放置于无人机的机身15内部，Ground模块通过UBS接口与地面连接带有APM planner的电脑，与Air模块通过串口主控模块1相连，当无人机通电启动后，主控模块1会把当前无人机的高度、飞行航向、速度信息传输给数传发射模块10的Air模块，Air模块在把数据传输给地面的Ground模块，就可以在装有APM planner软件的电脑上实时的显示无人机当前的高度、飞行航向、速度信息。所述的电源模块2包括航模锂电池、报警器、电压检测芯片，锂电池为整个无人机供电，锂电池具有大容量，小体积，轻质量等优点能够保证给整个无人机供电的同时不至于增大无人机的重量和体积，电压检测芯片与锂电池连接，报警器与电压检测芯片输出端连接，电压检测芯片能够检测锂电池的电压，当锂电池的电压低于设定的值2.7V后，电压检测芯片控制报警器报警。

本实用新型一种基于APM飞控板的旋翼无人机及其控制系统工作原理：无人机主控模块1通过GPS模块4、磁力计模块5、气压计模块6、惯性导航模块3传递给主控模块1的参数来计算出当前的所处的空间坐标位置，当无人机飞行或者悬停过程中主控模块1会把当前所处的空间位置与预先设定的飞行路线或者悬停位置进行对比，如果发生误差则通过主控模块1的控制信号输出端输出调节信号，调节每个电子调速器7的输出电流大小，来控制每个电机8的电流大小，从而调节电机8的转速与连接的螺旋桨叶片11的转速；从而修正无人机的飞行轨迹或者悬停位置来趋近于计算出的最佳飞行轨迹或者悬停位置；手动模式下主控模块1对接受到的遥控信号的分析后得出飞行航向与高度等信息，通过主控模块1的控制信号输出端输出分别给对应的电子调速器输出相应的控制信号来调节电子调速器7电源输出端的电流大小，从而控制对应方位的直流无刷电机8与螺旋桨叶片11的转速，从而达到手动控制无人机的目的。当无人机启动后，主控模块1都会自动的把当前无人机的飞行状态数据通过数传发射模块10实时的传输到装有APM Planner 软件平台的PC机地面站。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。