CN103921949A - 基于瑞萨芯片r5f100lea的四旋翼自主飞行器 - Google Patents

Abstract

基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器，属于飞行器控制领域，本发明为解决使用传统四旋翼飞行器控制存在的问题。本发明包括四旋翼机体、四个螺旋桨、螺旋桨控制单元和螺旋桨驱动单元；在四旋翼机体的四个机架末端分别安装一个螺旋桨，四个螺旋桨的结构相同，处于同一高度，相对的两个螺旋桨具有相同的旋转方向，且与另一对螺旋桨的旋转方向相反；所述螺旋桨控制单元包括中央处理器、姿态模块、光电传感器、超声波传感器和电磁铁；光电传感器、超声波传感器和电磁铁设置在机架下表面；所述螺旋桨驱动单元包括四个电子调速器和四个螺旋桨电机。

Description

基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器

技术领域

本发明涉及基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器，属于飞行器控制领域。

背景技术

四旋翼飞行器是一种具有四个螺旋桨并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构的飞行器。它可以以多种姿态进行飞行，包括悬停、前飞、倒飞和侧飞等飞行姿态。

目前国内外很多高校和研究团队都致力于四旋翼飞行器的研究。四旋翼飞行器也在诸如军事和民用等多个领域获得了广泛应用。例如民用方面的航拍和图像传输，巡逻监视和目标跟踪，自然灾害发生之后的搜索和救援，高压线、桥梁、水坝和地震后路段的检查等；军事方面的地面战场侦察、获取敌方情报、近距离控制巡逻、监视、电子战、地面通信等。

目前四旋翼飞行器的控制方式主要有：遥控飞行、自主飞行、以及半自主飞行三种方式。自主飞行是指在飞行过程中可以完全脱离人的干预实现飞行，通常采用磁罗盘测量姿态，与角速率陀螺组成姿态角稳定内回路，并采用导航***进行导航。目前常用的自主飞行控制核心有以下三种：

(1)ATMEL公司的AVR单片机。它是RISC精简指令集的高速8位单片机。以较为常见的ATmega16为例，它的数据吞吐率为1MIPS/MHz，有32个通用工作寄存器，16K字节的***内可编程Flash，32个可编程的I/O口。但是它的片内资源不足，难以满足高精度大难度的四旋翼飞行器飞行控制需要。

(2)TI公司的TMS320F2812。它是高性能32位单片机。它具有128K*16字节的***内可编程Flash，56个可编程的I/O口。当然，DSP是专门为运算而生的芯片，TMS320F2812也不例外。但是它的控制性能欠佳，甚至难以满足四旋翼飞行器的平稳控制，且价格昂贵。

(3)ST公司的STM32F103CBT6。它也是一款32位单片机，拥有128K字节的***内可编程Flash，80个可编程I/O口。它采用ARM Corex-M3内核，运行速度快，可拓展性强，灵活性高。缺点是其程序指令基于C/C++语言结构，编写完成复杂控制功能的程序过程复杂，代码可读性和可修改性都很差。由于四旋翼飞行器是电池供电，该芯片的高功耗也是制约其应用的一个重要因素。另外，价格昂贵也是它的一个缺点。

综上所述，在四旋翼飞行器控制方面，目前常用的控制核心存在着诸如功耗高、片内资源不足、运行速度不快、编程复杂不便编写和修改等多种问题，难以满足高精度高难度的四旋翼飞行器飞行控制。

发明内容

本发明目的是为了解决使用传统控制芯片在四旋翼飞行器控制中存在的内部资源不足、计算速度不快和控制精度不高等问题，提供了一种基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器。

本发明所述基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器，它包括四旋翼机体、四个螺旋桨、螺旋桨控制单元和螺旋桨驱动单元；

在四旋翼机体的四个机架末端分别安装一个螺旋桨，四个螺旋桨的结构相同，处于同一高度，相对的两个螺旋桨具有相同的旋转方向，且与另一对螺旋桨的旋转方向相反；

所述螺旋桨控制单元包括中央处理器、姿态模块、光电传感器、超声波传感器和电磁铁；光电传感器、超声波传感器和电磁铁设置在机架下表面；

所述螺旋桨驱动单元包括前端电子调速器、后端电子调速器、左端电子调速器、右端电子调速器、前端螺旋桨电机、后端螺旋桨电机、左端螺旋桨电机和右端螺旋桨电机；

姿态模块的姿态信号输出端与中央处理器的姿态信号输入端相连；

光电传感器的循迹信号输出端与中央处理器的循迹信号输入端相连；

超声波传感器的测距信号输出端与中央处理器的测距信号输入端相连；

中央处理器的拾铁指令输出端与电磁铁的使能端相连；

中央处理器的第一PWM调速控制信号输出端与前端电子调速器的输入端相连；前端电子调速器的输出端与前端螺旋桨电机的调速控制端相连；

中央处理器的第二PWM调速控制信号输出端与后端电子调速器的输入端相连；后端电子调速器的输出端与后端螺旋桨电机的调速控制端相连；

中央处理器的第三PWM调速控制信号输出端与左端电子调速器的输入端相连；左端电子调速器的输出端与左端螺旋桨电机的调速控制端相连；

中央处理器的第四PWM调速控制信号输出端与右端电子调速器的输入端相连；右端电子调速器的输出端与右端螺旋桨电机的调速控制端相连。

本发明的优点：

1.使用一种具有96K字节***内可编程Flash、48个可编程I/O口、功耗低编程简单容易实现的更为完备的控制核心，能利用瑞萨的集成开发环境CubeSuite+中的CodeGenerator，能够通过设置参数的方式来直接生成代码，提高了编程效率，而且易于修改。

2.硬件平台成本低，且配件易于更换。市面上的四旋翼飞行器整机不仅价格昂贵，而且配件的兼容能力很差。本发明采用市面上使用广泛、价格低廉且货源充足的配件自主集成整套飞行器***，既可保证飞行器满足基本的性能指标，又可保证多台飞行器在性能上的一致性。

3.基于控制核心瑞萨R5F100LEA，结合超声波传感器、光电传感器和电磁铁和电源模块实现了循迹、拾取铁片和飞行高度达到一定值等功能。

附图说明

图1是本发明所述基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器的结构示意图；

图2是四旋翼自主飞行器垂直运动示意图；

图3是四旋翼自主飞行器俯仰运动示意图；

图4是四旋翼自主飞行器滚转运动示意图；

图5是四旋翼自主飞行器偏航运动示意图；

图6是四旋翼自主飞行器前后运动示意图；

图7是四旋翼自主飞行器侧向运动示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器，它包括四旋翼机体、四个螺旋桨、螺旋桨控制单元和螺旋桨驱动单元；

在四旋翼机体的四个机架末端分别安装一个螺旋桨，四个螺旋桨的结构相同，处于同一高度，相对的两个螺旋桨具有相同的旋转方向，且与另一对螺旋桨的旋转方向相反，

所述螺旋桨控制单元包括中央处理器1、姿态模块2、光电传感器3、超声波传感器4和电磁铁5；光电传感器3、超声波传感器4和电磁铁5设置在机架下表面；

所述螺旋桨驱动单元包括前端电子调速器6、后端电子调速器7、左端电子调速器8、右端电子调速器9、前端螺旋桨电机10、后端螺旋桨电机11、左端螺旋桨电机12和右端螺旋桨电机13；

姿态模块2的姿态信号输出端与中央处理器1的姿态信号输入端相连；

光电传感器3的循迹信号输出端与中央处理器1的循迹信号输入端相连；

超声波传感器4的测距信号输出端与中央处理器1的测距信号输入端相连；

中央处理器1的拾铁指令输出端与电磁铁5的使能端相连；

中央处理器1的第一PWM调速控制信号输出端与前端电子调速器6的输入端相连；前端电子调速器6的输出端与前端螺旋桨电机10的调速控制端相连；

中央处理器1的第二PWM调速控制信号输出端与后端电子调速器7的输入端相连；后端电子调速器7的输出端与后端螺旋桨电机11的调速控制端相连；

中央处理器1的第三PWM调速控制信号输出端与左端电子调速器8的输入端相连；左端电子调速器8的输出端与左端螺旋桨电机12的调速控制端相连；

中央处理器1的第四PWM调速控制信号输出端与右端电子调速器9的输入端相连；右端电子调速器9的输出端与右端螺旋桨电机13的调速控制端相连。

中央处理器1采用瑞萨R5F100LEA单片机。是瑞萨R5F100LEA基于RL78内核的RL78/G13系列32位高性能单片机。它的编程简单容易实现，利用瑞萨的集成开发环境CubeSuite+中的Code Generator，能够通过设置参数的方式来直接生成代码，免去了人工编写大段代码、调试、修改的麻烦。

光电传感器3采用型号为RPR220的反射式光电传感器。

超声波传感器4采用型号为HC-SR04超声波传感器。用于测量四旋翼飞行器对地距离。

电磁铁5用于拾取铁片。

前端螺旋桨电机10、后端螺旋桨电机11、左端螺旋桨电机12和右端螺旋桨电机13采用A2212KV1260无刷直流电机。即电机转子直径22mm、电机转子高度12mm。

四旋翼机体采用直径330mm，裸机重量600g的机架，塑料材质(机架连接板为亚克力材质)。

所述的螺旋桨选用8038型号，即直径8英寸(大约20.32cm)，桨叶迎角38°。

姿态模块2采用MPU-6050集成模块。集成了3轴陀螺仪和3轴加速度计，免除了组合陀螺仪与加速度计时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。陀螺仪和加速度计用于实时检测飞行姿态，并发送给中央处理器1。

所述的飞行姿态有如下六种：

垂直运动，如附图2，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

俯仰运动，如图3，前端螺旋桨电机10的转速上升，后端螺旋桨电机11的转速下降，左端螺旋桨电机12、右端螺旋桨电机13的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，前端旋翼与后端旋翼转速该变量的大小应相等。由于前端旋翼的升力上升，后端旋翼的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转(方向如图3所示)，同理，当前端螺旋桨电机10的转速下降，后端螺旋桨电机11的转速上升，且该变量相等时，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。

滚转运动，如图4，原理与图3相同，改变左端螺旋桨电机12和右端螺旋桨电机13的转速，一个增大一个减小，且变化量保持相等，保持前端螺旋桨电机10和后端螺旋桨电机11的转速不变，则可使机身绕x轴旋转(正向和反向)，即可实现飞行器的滚转运动。

偏航运动，如图5，四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩带来的影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图5中，当前端螺旋桨电机10和后端螺旋桨电机11的转速上升，左端螺旋桨电机12和右端螺旋桨电机13的转速下降时，前端旋翼和后端旋翼对机身的反扭矩大于左端旋翼和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与前端螺旋桨电机10、后端螺旋桨电机11的转向相反。

前后运动，如图6，要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图6中，增加后端螺旋桨电机11转速，使拉力增大，相应减小前端螺旋桨电机10转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图3图4中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。

侧向运动，如下图7，由于结构对称，所以侧向飞行的工作原理与图6中前后运动的原理完全一样。

采用图1所述飞行器完成以上六种飞行姿态，通过对陀螺仪、加速度计的数据进行卡尔曼滤波，实现数据融合进而进行飞行姿态解算；通过对超声波传感器、光电传感器的数据采集和处理实现循迹、拾取铁片和飞行高度达到一定值等功能。其具体过程为：

1)***初始化；

2)四旋翼飞行器拾取铁片并开始上升；

3)MPU-6050模块陀螺仪和加速度计采集数据，并通过卡尔曼滤波进行数据融合，将融合后的数据传至控制核心进行飞行器姿态解算，判断飞行器是否平衡，之后进入控制核心控制过程：如果不平衡，则控制核心的PWM输出相应变化，进而改变电机转速，调节飞行器平衡；如果平衡，则超声波传感器开始测距。当飞行器距地面大于0.5米，飞行器停止上升并开始前进；

4)在前进过程中，光电传感器持续对地面上的黑色引导线进行探测，如果方向偏离，则控制核心输出的PWM相应变化，进而改变电机转速，调节飞行器航向。

所述的控制核心控制过程涉及到控制算法部分，使用经典PID算法，结合各传感器测得的数据，计算得到四个无刷直流电机的转速值，直接控制输入量。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，还包括电源模块14，电源模块14为中央处理器1提供工作电源，电源模块14采用11.1V、2600mAh锂电池，能输出瞬时大电流，满足四旋翼飞行器的飞行需求。

Claims (7)

1.基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器，其特征在于，它包括四旋翼机体、四个螺旋桨、螺旋桨控制单元和螺旋桨驱动单元；

在四旋翼机体的四个机架末端分别安装一个螺旋桨，四个螺旋桨的结构相同，处于同一高度，相对的两个螺旋桨具有相同的旋转方向，且与另一对螺旋桨的旋转方向相反，

所述螺旋桨控制单元包括中央处理器(1)、姿态模块(2)、光电传感器(3)、超声波传感器(4)和电磁铁(5)；光电传感器(3)、超声波传感器(4)和电磁铁(5)设置在机架下表面；

所述螺旋桨驱动单元包括前端电子调速器(6)、后端电子调速器(7)、左端电子调速器(8)、右端电子调速器(9)、前端螺旋桨电机(10)、后端螺旋桨电机(11)、左端螺旋桨电机(12)和右端螺旋桨电机(13)；

姿态模块(2)的姿态信号输出端与中央处理器(1)的姿态信号输入端相连；

光电传感器(3)的循迹信号输出端与中央处理器(1)的循迹信号输入端相连；

超声波传感器(4)的测距信号输出端与中央处理器(1)的测距信号输入端相连；

中央处理器(1)的拾铁指令输出端与电磁铁(5)的使能端相连；

中央处理器(1)的第一PWM调速控制信号输出端与前端电子调速器(6)的输入端相连；前端电子调速器(6)的输出端与前端螺旋桨电机(10)的调速控制端相连；

中央处理器(1)的第二PWM调速控制信号输出端与后端电子调速器(7)的输入端相连；后端电子调速器(7)的输出端与后端螺旋桨电机(11)的调速控制端相连；

中央处理器(1)的第三PWM调速控制信号输出端与左端电子调速器(8)的输入端相连；左端电子调速器(8)的输出端与左端螺旋桨电机(12)的调速控制端相连；

中央处理器(1)的第四PWM调速控制信号输出端与右端电子调速器(9)的输入端相连；右端电子调速器(9)的输出端与右端螺旋桨电机(13)的调速控制端相连。

2.根据权利要求1所述基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器，其特征在于，还包括电源模块14，电源模块14为中央处理器(1)提供工作电源，电源模块14采用11.1V、2600mAh锂电池。

3.根据权利要求1所述基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器，其特征在于，中央处理器(1)采用瑞萨R5F100LEA单片机。

4.根据权利要求1所述基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器，其特征在于，姿态模块(2)采用MPU-6050集成模块。

5.根据权利要求1所述基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器，其特征在于，光电传感器(3)采用型号为RPR220的反射式光电传感器。

6.根据权利要求1所述基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器，其特征在于，超声波传感器(4)采用型号为HC-SR04超声波传感器。

7.根据权利要求1所述基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器，其特征在于，前端螺旋桨电机(10)、后端螺旋桨电机(11)、左端螺旋桨电机(12)和右端螺旋桨电机(13)采用A2212KV1260无刷直流电机。