一种用于四旋翼飞行器的模块式控制板的制作方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于无人机控制技术领域，涉及一种控制板，特别是一种适用于四旋翼飞 行器的模块式控制板，其采用模块化结构设计，具有通用性高、易维护、参数可实时调节等 特点。
【背景技术】：
[0002] 四旋翼飞行器是一种六自由度垂直起降飞行器，能够完成悬停、低速飞行、垂直起 降和室内飞行等固定翼飞机无法完成的任务，也是一种具有四个呈十字形交叉结构螺旋桨 的飞行器，相对的四旋翼具有相同的旋转方向，与传统意义上的直升机相比，其具有结构和 控制简单、制造精度要求低、稳定性好、较弱的陀螺效应等优势，因而在无人侦察、交通管 理、森林防火、城市巡逻等领域具有广阔应用前景，成为国际上的研究热点。四旋翼飞行器 实现稳定飞行与巡航的前提是通过一定方式调节其飞行参数，并对飞行过程中的飞行器进 行遥控。飞行参数和遥控指令决定了飞行器的飞行平稳度和飞行方向，因此飞行器的遥控 和参数调节方式在飞行器的控制方面格外重要；另外，由于四旋翼飞行器的控制部分由驱 动模块、无线通讯模块以及控制模块等多个负责不同功能的模块构成，因此各个模块之间 连接与拆卸的方便性也较为重要。
[0003] 现有技术中的四旋翼飞行器大都存在以下缺点：
[0004] (1)结构方面:市面上大部分四旋翼飞行器采用了一体式的结构，这种设计虽然方 便量产也符合美观，但是不能满足广大四旋翼专业用户对机体的可模块化拆卸诉求，在遇 到电路上某个模块损坏的情况下，往往需要更换整个控制电路或驱动电路，这对于用户来 说更换的成本太高，而且也造成了不必要的浪费；
[0005] (2)控制芯片方面：市面上绝大多数飞行控制芯片使用的是国外的16位及32位单 片机，成本较高的同时使得国内飞行控制芯片市场长期萎靡。因此本发明设计出一种新型 的适用于四旋翼飞行器的模块式控制板，以国产芯片作为控制芯片，通过模块化结构设计、 配备的遥控器和上位机软件进行遥控和参数调节，实现精准的控制。
【发明内容】
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[0006] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计一种用于四旋翼飞行器的模块 式控制板，不仅打破了国外芯片在飞行控制板市场的垄断地位，而且易于改装调试方便控 制。
[0007] 为了实现上述目的，本发明涉及的用于四旋翼飞行器的模块式控制板主体结构包 括主控模块、无线模块、陀螺仪模块、电源及稳压电路、电机及驱动模块，电源及稳压电路分 别与主控模块、无线模块、陀螺仪模块和电机及驱动模块电连接以提供电源，主控模块分别 与无线模块、陀螺仪模块和电机及驱动模块电连接，用于接受并处理来自无线模块和陀螺 仪模块的数据信息，无线模块负责传输控制信息，陀螺仪模块用于检测飞行姿态，电机及驱 动模块在主控模块产生的PWM信号控制下为飞行器提供动力；主控模块与陀螺仪模块之间 通过I2C协议进行数据传输通讯，主控模块与无线模块之间通过SPI协议进行数据传输通 讯，以实现对四旋翼飞行器的模块式控制。
[0008] 进一步的，所述主控模块为宏晶科技有限公司生产的型号为IAP15W4K58S4的8位 单片机，相比传统的8051单片机在性能上有了提升且资源丰富；相较于国外的16位及32位 单片机成本较低，但性能能够达到控制四旋翼飞行器平稳飞行的要求;主要功能是接收来 自陀螺仪模块的角度信息并求解出四元数以得出当前姿态，并根据控制算法产生四路PWM 信号控制电机转速以达到调节四旋翼飞行器姿态的目的。
[0009] 进一步的，所述无线模块为NRF24L01芯片，该芯片是由NORDIC生产的工作在 2.4GHz-2.5GHz ISM频段的单片无线收发器芯片；主要功能是接收来自外部独立配置的遥 控器的指令并发送给主控模块；无线模块与主控模块单片机的P6.1、P6.2、P6.3、P1.0、 P1.1、P4.7引脚相接。
[0010] 进一步的，所述陀螺仪模块为MPU6050，MPU6050是六轴运动处理传感器，它集成了 三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计，其对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC;主 要功能是将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，并通过I 2C接口与主控模块进行通讯； 陀螺仪模块与主控模块单片机的P0. 〇和P4.6引脚相接。
[0011] 进一步的，所述电源及稳压电路为3.7V高倍率航模电池和升压降压电路，该电路 是先将3.7V的电源电压升压到5V然后再降压到3.3V后以获得供给各个模块的标准工作电 压。
[0012] 进一步的，所述电机及驱动模块为高速空心杯电机和M0S管，其采用高速空心杯电 机为动力装置，采用M0S管作为功率管；电机及驱动模块与主控模块单片机的P2.1、P2.2、 P2.3、P3.7引脚相接。
[0013]优选的，所述模块式控制板能够通过USB接口连接上位机软件，该上位机软件包括 飞行姿态显示和飞行姿态控制两部分，以分别实现调节或修改四旋翼飞行器PID参数与显 示飞行姿态的功能。
[0014] 本发明与现有技术相比，使用的控制芯片为国产8位单片机，有效降低了成本，采 用模块式的结构设计模式，使得单一模块可拆卸更换从而降低了维修成本，同时也为不同 需求的用户提供了多种选择;控制板上预留有与上位机软件连接的接口，以便于对飞行参 数调整修改和飞行姿态算法的升级;整体控制板结构简单，安装方便，易于操作。
【附图说明】：
[0015] 图1为本发明涉及的用于四旋翼飞行器的模块式控制板中控制电路的结构模块示 意图。
[0016] 图2为本发明中涉及的主控模块的电路结构图。
[0017]图3为本发明涉及的陀螺仪模块的电路结构图。
[0018] 图4为本发明涉及的无线模块的电路结构图。
[0019] 图5为本发明涉及的电源及稳压电路的电路结构图。
[0020]图6为本发明涉及的电机及驱动模块的电路结构图。
[0021 ]图7为本发明涉及的飞行姿态显示流程图。
[0022]图8为本发明实施例3中涉及的上位机软件主窗口。
[0023]图9为本发明实施例3中涉及的3D模型控件。
[0024]图10为本发明实施例3中涉及的PID参数调节流程图。
[0025] 图11为本发明实施例3中涉及的指令代码。
【具体实施方式】：
[0026] 下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述，但本发明并不仅限于以下实 施方式。
[0027] 实施例1:
[0028]本实施例涉及的用于四旋翼飞行器的模块式控制板主体结构包括主控模块1、无 线模块2、陀螺仪模块3、电源及稳压电路4、电机及驱动模块5,电源及稳压电路4分别与主控 模块1、无线模块2、陀螺仪模块3和电机及驱动模块5电连接以提供电源，主控模块1分别与 无线模块2、陀螺仪模块3和电机及驱动模块5电连接，用于接受并处理来自无线模块2和陀 螺仪模块3的数据信息，无线模块2负责传输控制信息，陀螺仪模块3用于检测飞行姿态，电 机及驱动模块5在主控模块1产生的PWM信号控制下为飞行器提供动力;主控模块1与陀螺仪 模块3之间通过I2C协议进行数据传输通讯，主控模块1与无线模块2之间通过SPI协议进行 数据传输通讯，以实现对四旋翼飞行器的模块式控制。
[0029]本实施例中涉及的主控模块1为宏晶科技有限公司生产的型号为IAP15W4K58S4的 8位单片机(如图2所示），相比传统的8051单片机在性能上有了很大提升且资源丰富；相较 于国外的16位及32位单片机成本较低，但性能能够达到控制四旋翼飞行器平稳飞行的要 求;主要功能是接收来自陀螺仪模块3的角度信息并求解出四元数以得出当前姿态，并根据 控制算法产生四路PWM信号控制电机转速以达到调节四旋翼飞行器姿态的目的。
[0030] 本实施例中涉及的无线模块2为NRF24L01芯片（如图3所示），该芯片是由NORDIC生 产的工作在2.4GHz-2.5GHz ISM频段的单片无线收发器芯片；主要功能是接收来自外部独 立配置的遥控器的指令并发送给主控模块1;其与单片机的P6.1、P6.2、P6.3、P1.0、P1.1、 P4.7引脚相接。
[0031] 本实施例涉及的陀螺仪模块3为MPU6050(如图4所示），MPU6050是6轴运动处理传 感器，它集成了 3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS加速度计，其对陀螺仪和加速度计分别用了三个16 位的ADC;主要功能是将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，并通过I2C接口与主控模 块1进行通讯;其与单片机的P0.0和P4.6引脚相接。
[0032] 本实施例中涉及的电源及稳压电路4为3.7V高倍率航模电池和升压降压电路(如 图5所示），该电路是先将3.7V的电源电压升压到5V然后再降压到3.3V后获得的供给各个模 块的标准工作电压。
[0033] 本实施例中涉及的电机及驱动模块5为高速空心杯电机和M0S管（如图6所示），其 采用高速空心杯电机为动力装置，由于电机高速运作时电压电流过大产生大量热量，因此 采用M0S管作为功率管;其与单片机的P2.1、P2.2、P2.3、P3.7引脚相接。
[0034] 实施例2:
[0035] 本实施例以实施例1中所述的用于四旋翼飞行器的模块式控制板为例，其具体工 作流程为：
[0036] (1)电源及稳压电路4为控制板各个模块的正常工作提供合适的电源，控制板上电 后初始化各模块并开启中断，此时若接收到校准信号则对陀螺仪3进行清零，否则主控模块 1接收来自陀螺仪模块3的数据并进行Kalman滤波，利用四元数解算出倾角以得到当前四旋 翼飞行器的姿态，应用基于数字PID的四旋翼飞行器飞行控制方法（即比例-积分-微分控 制），通过选择控制增益使系统实现期望性能，通过上位机软件对四旋翼飞行器的参数进行 调整以获得更好的性能;所