一种基于嵌入式的四旋翼自主飞行器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于嵌入式的四旋翼自主飞行器，包括设置于飞行器上的主控制器、数据采集装置、执行机构驱动装置、无线通讯装置，以及设置于飞行器监控室内、与无线通讯装置无线连接的上位机，所述数据采集装置设置于飞行器内部，执行机构驱动装置位于飞行器的旋翼底部，无线通讯装置位于飞行器的上端，所述数据采集装置、执行机构驱动装置、无线通讯装置均与主控制器电气连接。通过设置数据采集装置，对飞行器的姿态进行进行实时监控，使飞行器按照既定的姿态运动，飞行姿态控制精度高；增设ZigBee无线通讯装置，实现用上位机实时监测飞行器姿态的功能。与传统的飞行器相比可大大降低系统的开发成本、节约资源。
【专利说明】—种基于嵌入式的四旋翼自主飞行器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及飞行器控制领域，具体涉及一种基于基于嵌入式的四旋翼自主飞行器。
【背景技术】
[0002]早在上个世纪中叶，微小型多旋翼飞行器已经受到海外一些研究机构的瞩目，但多旋翼飞行器一般尺寸较小，负载能力相对较差，无法搭载传统的高精度传感器。直到本世纪初，MEMS传感器技术的发展使微小型多旋翼飞行器的研究得到突破。
[0003]现有四旋翼飞行器技术中，大多采用普通单片机作为主控制器，功耗大，且外设资源少，这与飞行器要求的功耗低，重量轻，简单设计相悖，从而阻碍了飞行器的发展。
实用新型内容
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于嵌入式的四旋翼自主飞行器，该飞行器与传统的飞行控制器相比，大大降低了系统的开发成本、节约资源，且整个飞行器的结构简单、重量轻、且功耗低、外设资源少，并且实现了四旋翼飞行器的姿态控制精确度，提高了飞行器飞行的稳定性。
[0005]本实用新型提供了一种基于嵌入式的四旋翼自主飞行器，包括设置于飞行器上的主控制器、数据采集装置、执行机构驱动装置、无线通讯装置，以及设置于飞行器监控室内、与无线通讯装置无线连接的上位机，所述数据采集装置设置于飞行器内部，执行机构驱动装置位于飞行器的旋翼底部，无线通讯装置位于飞行器的上端，所述数据采集装置、执行机构驱动装置、无线通讯装置均与主控制器电气连接。
[0006]本实用新型的进一步改进在于:所述数据采集装置包括MEMS陀螺仪、三轴加速度传感器、全向磁场传感器以及静压高度计，分别采集飞行器飞行过程中的角速度、加速度、磁阻以及气压高度信号，从而实现飞行器飞行姿态精确控制性。
[0007]本实用新型的进一步改进在于:所述MEMS陀螺仪的数量为3只、采用ADIS16100数字陀螺，3个MEMS陀螺仪按X-Y-Z轴两两垂直的方式安装于飞行器前端，其中X、Y、Z轴分别检测滚转、俯仰、偏航角速率；所述三轴加速度传感器为LIS3LV02DL三轴数字加速度计，位于飞行器底部；所述全向磁场传感器采用HMC5833L三轴磁强计，位于飞行器后端，用于锁定航向，与三轴加速度传感器组合成的电子罗盘用于为飞行器导航提供可靠的高精度方向信息；所述静压高度计采用MS5540C静压高度计，最高精度达15 cm，测量精度高，位于飞行器三轴加速度传感器右侧，从而获取飞行器当前的经纬度坐标、高度、速度信息；LIS3LV02DL三轴数字加速度计和MEMS陀螺仪螺通过SPI接口与STM32F103C8T6进行通讯，HMC5833L三轴磁强计通过简易的I2C总线与STM32F103C8T6相连接。从而保障飞行器飞行姿态的控制精确性。
[0008]本实用新型的进一步改进在于:所述主控制器以STM32F103C8T6 ARM7处理器为控制核心，所述无线通讯装置为ZigBee无线通讯装置，采用STM32F103C8T6 ARM7处理器具有高性能、低成本、低功耗优点的嵌入式处理器，采用该处理器使得整个飞行器外设资源少、结构简单，重量轻、且功耗低；通过ZigBee无线通讯装置将飞行器的通讯数据实时发送至PC上位机，以便进行实时监测飞行器姿态。
[0009]本实用新型的进一步改进在于:所述PC上位机采用MCGS。即监视与控制通用系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。
[0010]本实用新型的进一步改进在于:所述执行机构驱动装置包括无刷电机、与无刷电机相匹配的无刷电调；所述无刷电调采用SKYWALKER 20A无刷电调，持续输出20A电流，短时电流25A，针对四旋翼飞行器采用无刷电机，无刷电机具有更大的动力、更长的飞行时间、更高的使用效率、更长的使用寿命、并且具有噪音小、抗干扰强的优点，提高飞行器的稳定性。
[0011]本实用新型的进一步改进在于:所述无刷电机和无刷电调均为四个，分别位于飞行器的四个旋翼底部，无刷电调的信号端分别与控制核心STM32F103C8T6 ARM7处理器的任意四个GPIO 口相连。
[0012]本实用新型的进一步改进在于:所述控制核心STM32F103C8T6 ARM7处理器的第42引脚PB6、第43引脚PB7两个GPIO 口复用为SCL、SDA,并通过这两根总线与HMC5833L三轴磁强计的SCL与SDA相连，STM32F103C8T6通过RXD接收ZigBee发来的信号，通过TXD发送数据给ZigBee,从而实现数据的双向传输。
[0013]本实用新型的进一步改进在于:所述控制核心STM32F103C8T6 ARM7处理器的第30引脚PA9、第31引脚PAlO分别复用为TXD、RXD，两个引脚与ZigBee无线通讯装置的RXD、TXD相连。
[0014]本实用新型有益效果:通过数据采集装置:3只MEMS陀螺仪、三轴加速度传感器和全向磁场传感器以及静压高度计，对飞行器的姿态进行进行实时监控，使飞行器按照既定的姿态运动，飞行姿态控制精度高；通过在飞行器上增设ZigBee无线通讯装置，从而实现了用上位机实时监测飞行器姿态的功能。采用以STM32系列处理器中的STM32F103C8T6微处理器为控制核心的飞行器与传统的飞行器相比可大大降低系统的开发成本、节约资源，且整个飞行器的结构简单、重量轻、且功耗低、外设资源少，并且实现了四旋翼飞行器的姿态控制精确度，提高了飞行器飞行的稳定性。
[0015]本实用新型结构简单、功耗低，能有效、精确、稳定的控制飞行器的飞行姿态，且飞行时间长、使用寿命长，同时实现上位机实时监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型的结构示意图。
[0017]图2为本实用新型的系统结构框图。
[0018]图3为本实用新型中的HMC5833L三轴磁强计与STM32F103C8T6微处理器的电气连接图。
[0019]图4为本实用新型中的STM32F103C8T6微处理器与ZigBee无线数据装置的电气连接图。
[0020]其中:1-主控制器，2-数据采集装置，3-执行机构驱动装置，4-无线通讯装置，
5-上位机，6-MEMS陀螺仪，7-三轴加速度传感器，8-全向磁场传感器，9-静压高度计，10-旋翼。
【具体实施方式】
[0021]为了加深对本实用新型的理解，下面将结合实施例对本实用新型作进一步详述，该实施例仅用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型保护范围的限定。
[0022]如图1-4所示，本实施例提供了一种基于嵌入式的四旋翼自主飞行器，包括设置于飞行器上的主控制器1、数据采集装置2、执行机构驱动装置3、无线通讯装置4，以及设置于飞行器监控室内、与无线通讯装置4无线连接的上位机5，所述数据采集装置2设置于飞行器内部，执行机构驱动装置3位于飞行器的旋翼10底部，无线通讯装置4位于飞行器的上端，所述数据采集装置2、执行机构驱动装置3、无线通讯装置4均与主控制器I电气连接。所述数据采集装置2包括MEMS陀螺仪6、三轴加速度传感器7、全向磁场传感器8以及静压高度计9。所述MEMS陀螺仪6的数量为3只、采用ADIS16100数字陀螺，3个MEMS陀螺仪按χ-y-ζ轴两两垂直的方式安装于飞行器前端，其中X、Y、Z轴分别检测滚转、俯仰、偏航角速率；所述三轴加速度传感器7为LIS3LV02DL三轴数字加速度计，位于飞行器底部；所述全向磁场传感器8采用HMC5833L三轴磁强计，位于飞行器后端，与三轴加速度传感器7组合成的电子罗盘用于为飞行器导航提供可靠的高精度方向信息；所述静压高度计9采用MS5540C静压高度计，最高精度达15 cm，位于三轴加速度传感器7右侧。LIS3LV02DL三轴数字加速度计和MEMS陀螺仪螺通过SPI接口与STM32F103C8T6进行通讯，HMC5833L三轴磁强计通过简易的I2C总线与STM32F103C8T6相连接。从而保障飞行器飞行姿态的控制精确性。所述执行机构驱动装置3包括无刷电机、与无刷电机相匹配的无刷电调；所述无刷电调采用SKYWALKER 20A无刷电调，持续输出20A电流，短时电流25A。所述无刷电机和无刷电调均为四个，分别位于飞行器各旋翼10底部，无刷电调的信号端分别与控制核心STM32F103C8T6 ARM7处 理器的任意四个GPIO 口相连。如图3所示，所述控制核心STM32F103C8T6 ARM7处理器的第42引脚PB6、第43引脚PB7两个GPIO 口复用为SCL、SDA,并通过这两根总线与HMC5833L三轴磁强计的SCL与SDA相连。如图4所示，所述控制核心STM32F103C8T6 ARM7处理器的第30引脚PA9、第31引脚PAlO分别复用为TXD、RXD，两个引脚与ZigBee无线通讯装置的RXD、TXD相连，STM32F103C8T6通过RXD接收ZigBee发来的信号，通过TXD发送数据给ZigBee，从而实现数据的双向传输。。
[0023]其中，
[0024]所述主控制器I以STM32F103C8T6 ARM7处理器为控制核心，STM32系列处理器是一款基于高性能、低成本、低功耗要求的嵌入式处理器，应用专门设计的ARM Cortex-M3低功耗高速内核。是整个装置的控制核心，它负责对数据采集装置2采集来的信号进行处理，并控制各旋翼电机的转速。
[0025]无线通讯装置4,采用ZigBee无线通讯装置，ZigBee是一种短距离、低速率无线网络技术，且是一种低功耗、低成本的无线网络通信技术。它通过TXD、RXD两根总线与STM32F103C8T6进行数据的双向传输，其中TXD用于发送数据，RXD用于接收数据；STM32F103C8T6在接收到ZigBee的数据后，再与PC上位机进行通讯，从而实现PC上位机实时监测飞行器的功能。
[0026]PC上位机:采用的是MCGS。MCGS,即监视与控制通用系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。
[0027]本实施例的工作原理:数据采集装置2对飞行器的姿态信号进行采集，再送到主控制器I进行处理，主控制器I得到飞行器的姿态后，发送控制信号给执行机构驱动装置3，从而调节电机的转速，使飞行器按照既定的姿态运动。同时，ZigBee无线通讯装置与主控制器I进行通讯，传输数据，主控制器I将接收到的数据传输给上位机5，从而实现了用上位机实时监测飞行器姿态的功能。基于STM32的飞行控制器与传统的飞行控制器相比可大大降低系统的开发成本、节约资源，且整个飞行器的结构简单、重量轻、且功耗低、外设资源少，并且实现了四旋翼飞行器的姿态控制精确度，增强了装置的稳定性。
【权利要求】
1.一种基于嵌入式的四旋翼自主飞行器，其特征在于:包括设置于飞行器上的主控制器(I)、数据采集装置(2)、执行机构驱动装置(3)、无线通讯装置(4)，以及设置于飞行器监控室内、与无线通讯装置(4)无线连接的上位机(5)，所述数据采集装置(2)设置于飞行器内部，执行机构驱动装置(3)位于飞行器的旋翼(10)底部，无线通讯装置(4)位于飞行器的上端，所述数据采集装置(2)、执行机构驱动装置(3)、无线通讯装置(4)均与主控制器(I)电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式的四旋翼自主飞行器，其特征在于:所述数据采集装置(2)包括MEMS陀螺仪(6)、三轴加速度传感器(7)、全向磁场传感器(8)以及静压高度计(9)。
3.根据权利要求2所述的一种基于嵌入式的四旋翼自主飞行器，其特征在于:所述MEMS陀螺仪(6)的数量为3只、采用ADIS16100数字陀螺，3个MEMS陀螺仪按X-Y-Z轴两两垂直的方式安装于飞行器前端，其中X、Y、Z轴分别检测滚转、俯仰、偏航角速率；所述三轴加速度传感器(7)为LIS3LV02DL三轴数字加速度计，位于飞行器底部；所述全向磁场传感器(8)采用HMC5833L三轴磁强计，位于飞行器后端，与三轴加速度传感器(7)组合成的电子罗盘用于为飞行器导航提供可靠的高精度方向信息；所述静压高度计(9)采用MS5540C静压高度计，最高精度达15 cm，位于三轴加速度传感器(7)右侧。
4.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式的四旋翼自主飞行器，其特征在于:所述主控制器(I)以STM32F103C8T6 ARM7处理器为控制核心，所述无线通讯装置(4)为ZigBee无线通讯装置，所述上位机(5)为PC上位机。
5.根据权利要求4所述的一种基于嵌入式的四旋翼自主飞行器，其特征在于:所述PC上位机采用MCGS。
6.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式的四旋翼自主飞行器，其特征在于:所述执行机构驱动装置(3)包括无刷电机、与无刷电机相匹配的无刷电调；所述无刷电调采用SKYffALKER 20Α无刷电调，持续输出20Α电流，短时电流25Α。
7.根据权利要求6所述的一种基于嵌入式的四旋翼自主飞行器，其特征在于:所述无刷电机和无刷电调均为四个，分别位于飞行器的四个旋翼(10)的底部，无刷电调的信号端分别与控制核心STM32F103C8T6 ARM7处理器的任意四个GPIO 口相连。
8.根据权利要求3或4所述的一种基于嵌入式的四旋翼自主飞行器，其特征在于:所述控制核心STM32F103C8T6 ARM7处理器的第42引脚ΡΒ6、第43引脚ΡΒ7两个GPIO 口复用为SCL、SDA,并通过这两根总线与HMC5833L三轴磁强计的SCL与SDA相连。
9.根据权利要求4所述的一种基于嵌入式的四旋翼自主飞行器，其特征在于:所述控制核心STM32F103C8T6 ARM7处理器的第30引脚ΡΑ9、第31引脚PAlO分别复用为TXD、RXD，两个引脚与ZigBee无线通讯装置的RXD、TXD相连。
【文档编号】G05D1/08GK203759544SQ201420118553
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2014年3月17日
【发明者】陈孟元, 谢义建, 陶明, 冯光辉, 袁苑, 朱枫, 吕亚运, 汪鹏, 方华健 申请人:安徽工程大学