CN104765375A - 一种飞行控制器及其辅助飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行控制器，包括单片机、螺旋桨马达、辅助飞行控制器、电源模块、无线接收模块、图像传感器、无线发送模块和PWM信号四通道输出模块；辅助飞行控制器包括PI控制器、陀螺仪、加速度计、模数转换器；电源模块、PI控制器、单片机、PWM信号四通道输出模块依次顺序连接；陀螺仪、加速度计均与模数转换器相连接，模数转换器与PI控制器连接，无线接收模块、图像传感器、无线发送模块均与单片机相连接；电源模块连接图像传感器；四通道输出模块连接飞行控制器的螺旋桨马达的控制电路。本发明使飞行器得以应用于勘察、检测与监控等场合，在飞行器上装设辅助飞行控制器，使飞行器能保持姿态稳定与固定的航向。

Description

一种飞行控制器及其辅助飞行控制方法

技术领域

本发明涉及遥控飞行控制领域，具体涉及一种带有辅助飞行控制器的飞行控制器。

背景技术

现有技术中，遥控飞行器在操作时必须相当全神贯注，以四浆飞行器为例，主要的原因是由于飞行器飞行时机翼转动除了提供飞行器的浮力之外，同时旋翼转动除了提供飞行器的浮力之外，同时旋翼转动所产生的作用力与反作用力都会影响飞行器的姿态与航向，而当操作的场所位于户外时，飞行器更会受到风势以及气流等影响。因此飞行遥控器的操作人员得随时专注于飞行器的姿态、航向、位置、高度等状态，随时进行修正和稳定控制飞行器。

飞行器操作人员往往需要经过许多的时间与调试才能掌握与熟练各种飞行器的控制，使得遥控飞行器应用于勘察、探索等工作始终难于达成。

发明内容

本发明提出一种飞行控制器，在飞行器上装设辅助飞行控制器，负责将陀螺仪与加速度计量测到的方向角(Yaw)、俯仰角(Pitch)、侧滚角(Roll)信号经过辅助飞行控制器后输出脉冲宽度调变(PWM)信号至四组马达，使飞行器能保持姿态稳定与固定的航向。

本发明技术方案如下：

一种飞行控制器，包括单片机、螺旋桨马达、辅助飞行控制器、电源模块、无线接收模块、图像传感器、无线发送模块和PWM信号四通道输出模块；

辅助飞行控制器包括PI控制器、陀螺仪、加速度计、模数转换器；

电源模块、PI控制器、单片机、PWM信号四通道输出模块依次顺序连接；陀螺仪、加速度计均与模数转换器相连接，模数转换器与PI控制器连接，无线接收模块、图像传感器、无线发送模块均与单片机相连接；

电源模块连接图像传感器；四通道输出模块连接飞行控制器的螺旋桨马达的控制电路。

电源模块包括为DC/DC双路直流电源输出模块，包括半导体5v集成稳压IC和半导体3.3v集成稳压IC，分别5v和3.3v电压。

单片机为28Pin DIP封装单片机。

螺旋桨马达包括前螺旋桨马达、后螺旋桨马达、左螺旋桨马达、右螺旋桨马达。

前螺旋桨马达、后螺旋桨马达、左螺旋桨马达、右螺旋桨马达的控制电路分别连接PWM信号四通道输出模块的四个输出通道。

所述单片机包括8MHz晶体振荡器。

本发明飞行控制器的工作过程如下：飞行器开机后保持机身稳定、水平，陀螺仪和加速度计记录起始零点的状态参数。***初始化后***将即时接收遥控器发出的控制讯号，同时陀螺仪与加速度计信号实时输入采集的数据到模数转换器(A/D转换)，经过A/D转换后进入PI控制器，PI控制器控制飞行器与零点位置飞行参数相同。

一种飞行控制器辅助飞行控制方法，包括以下步骤，

S1，***初始化：保持机身水平，***记录起始零点的状态参数，状态参数包括中断计时频率、方向角(Yaw)ω、俯仰角(Pitch)θ、侧滚角(Roll)Φ的零点位置；

S2，接收遥控器发出的控制讯号，所述控制讯号包括油门(Throttle)、方向角(Yaw)、俯仰角(Pitch)、侧滚角(Roll)；

S3，采集陀螺仪与加速度计所探测的即时信号；

S4，所述步骤S2、S3的数据经过A/D转换后进入PI控制器运算，当陀螺仪与加速度计所探测的即时信号与零点位置的状态参数存在误差时，PI控制器将陀螺仪与加速度计修正至零点位置，与飞行器保持稳定；

S5，遥控器送出的控制量与PI控制器产生的控制量运算后输出四个频道的PWM信号到四组马达，经由PWM信号的责任周期(Duty Cycle)变化控制直流马达转速，使飞行器的浮力达到稳定状态。

通过飞行器上的加速度计采集的即时信号的X、Y的分量变化来测量飞行器的水平姿态，其中X轴的分量来探测飞行器的俯仰角(Pitch)变化，Y轴则是探测侧滚角(Roll)的变化。

方向角(Yaw)ω是由陀螺仪探测，由四组旋翼彼此的转速比例控制方向角ω的实际角度。

与现有技术相比，本发明包括以下有益效果：

本发明使飞行器得以应用于勘察、检测与监控等场合。在飞行器上装设辅助飞行控制器，负责将量测到陀螺仪与加速度计的数据经过PI控制器输出脉冲宽度调变(PWM)信号至四组马达，使飞行器能保持姿态稳定与固定的航向。

经由辅助飞行控制器将飞行器飞行保持与零点位置参数相同，飞行器的操作人员不须再花费多余的精神在保持飞行器的稳定上，仅需要将飞行器遥控至目标物附近，再利用无线传输的CCD镜头将影像回传至地面控制站，使工作人员得以观察目标的实际情形。

对于观测、勘察人员不容易到达的目标有非常大的帮助，有助于提升工作的效率，获得更清晰的影像资料。

附图说明

图1为本发明一种飞行控制器的结构示意图；

图2为四浆飞行器示意图；

图3为螺旋桨马达驱动电路图；

图4为HT46R24核心电路图；

图5为陀螺仪电路；

图6为TRW-24G无线模块应用电路图；

图7为加速度计应用电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

四浆飞行器具有四组直流马达作为上升的动力，其中两组旋翼(螺旋桨)为顺时针旋转，另外两组则为逆时针旋转。目的是利用旋翼旋转方向不同产生的反作用力相互相反抵消。飞行时航向与移动是利用各旋翼间转速的差距造成浮力变化来达成。

如图1所示，一种飞行控制器，包括单片机、螺旋桨马达、辅助飞行控制器、电源模块、无线接收模块、图像传感器、无线发送模块和PWM信号四通道输出模块；本实施例中单片机为HT46R24微控制器，采用28Pin DIP封装，符合飞行控制器体积小、重量轻的要求，并采用5v供电，8MHz晶体振荡器，使每个指令周期达到0.5微妙的运算速度，以达到飞行控制***高频率响应的要求。其中陀螺仪与加速度计测量到的信号分别进入HT46R24的PB0～PB3的10bitA/D转换脚位(图4电路图)。图3为螺旋桨马达直流电路，其中Motor Front、Motor Rear、Motor Left、Motor Right连接至HT46R24的PA0～PA3输出模式(OutputModor)输出PWM信号，共有四组螺旋桨马达控制电路。陀螺仪型号为ADRX300，负责探测Z轴方向角的单轴角速率陀螺仪，最大探测范围为±300°/s，陀螺仪电路如图5所示。

本实施例中无线接收模块、无线发送模块均为TRW-24G无线模块，电路图如图6所示。

辅助飞行控制器包括PI控制器、陀螺仪、加速度计、模数转换器；

电源模块、PI控制器、单片机、PWM信号四通道输出模块依次顺序连接；陀螺仪、加速度计均与模数转换器相连接，模数转换器与PI控制器连接，无线接收模块、图像传感器、无线发送模块均与单片机相连接；

电源模块连接图像传感器；四通道输出模块连接飞行控制器的螺旋桨马达的控制电路。

电源模块包括为DC/DC双路直流电源输出模块，包括半导体5v集成稳压IC和半导体3.3v集成稳压IC，分别5v和3.3v电压。提供四浆飞行器的飞行控制器电路所需电源是由飞行器充电电池所供应，飞行器充电电池为12伏特10安培小时；HT46R24与CCD镜头使用5v电源，通过半导体5v集成稳压IC提供5v电压；陀螺仪、加速度计、RF模块使用3.3v电压，通过半导体3.3v集成稳压IC提供3.3v电压。

螺旋桨马达包括前螺旋桨马达、后螺旋桨马达、左螺旋桨马达、右螺旋桨马达,如图2所示，其中箭头方向为螺旋桨转动方向。

前螺旋桨马达、后螺旋桨马达、左螺旋桨马达、右螺旋桨马达的控制电路分别连接PWM信号四通道输出模块的四个输出通道。

本实施例加速度计为MMA7200Q三轴加速度计，如图7所述为MMA7200Q三轴加速度计应用电路图，MMA7200Q传感器具有高灵敏度的特性，使用其X、Y的分量变化来测量飞行器的水平姿态，其中X轴的分量来探测飞行器的俯仰角(Pitch)变化，而Y轴则是探测侧滚角(Roll)的变化。

一种飞行控制器辅助飞行控制方法，包括以下步骤，

S1，***初始化：保持机身水平，***记录起始零点的状态参数，状态参数包括中断计时频率、方向角(Yaw)ω、俯仰角(Pitch)θ、侧滚角(Roll)Φ的零点位置；

S2，接收遥控器发出的控制讯号，所述控制讯号包括油门(Throttle)、方向角(Yaw)、俯仰角(Pitch)、侧滚角(Roll)；

S3，采集陀螺仪与加速度计所探测的即时信号；

S4，所述步骤S2、S3的数据经过A/D转换后进入PI控制器运算，当陀螺仪与加速度计所探测的即时信号与零点位置的状态参数存在误差时，PI控制器将陀螺仪与加速度计修正至零点位置，与飞行器保持稳定；

S5，遥控器送出的控制量与PI控制器产生的控制量运算后输出四个频道的PWM信号到四组马达，经由PWM信号的责任周期(Duty Cycle)变化控制直流马达转速，使飞行器的浮力达到稳定状态。

通过飞行器上的加速度计采集的即时信号的X、Y的分量变化来测量飞行器的水平姿态，其中X轴的分量来探测飞行器的俯仰角(Pitch)变化，Y轴则是探测侧滚角(Roll)的变化。

方向角(Yaw)ω是由陀螺仪探测，由四组旋翼彼此的转速比例控制方向角ω的实际角度。

本发明飞行控制器的工作过程如下：飞行器开机后初始化中断计时频率与方向角(Yaw)ω、俯仰角(Pitch)θ、侧滚角(Roll)Φ的零点位置，即保持机身稳定、水平，陀螺仪和加速度计记录起始零点的状态参数。***初始化后***将即时接收遥控器发出的控制讯号，同时陀螺仪与加速度计信号实时输入采集的数据到模数转换器(A/D转换)，经过A/D转换后进入PI控制器，PI控制器控制飞行器与零点位置飞行参数相同。当飞行器未接收到遥控器的控制信号时，控制器必须保持飞行器的姿态与航向稳定，其中方向角(Yaw)ω是由陀螺仪负责探测，并由四组螺旋桨(旋翼)彼此的转速比例控制方向角的实际角度。俯仰角(Pitch)θ、侧滚角(Roll)Φ利用加速度计的X与Y分量来探测，其中俯仰角的控制通过单片机控制四浆飞行器中的前螺旋桨马达(Motor Front)与后螺旋桨马达(Motor Rear)间转速比例，侧滚角通过控制左螺旋桨马达(Motor Left)与右螺旋桨马达(Motor Right)控制，如图2所示。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种飞行控制器，包括单片机和螺旋桨马达，其特征在于，还包括辅助飞行控制器、电源模块、无线接收模块、图像传感器、无线发送模块和PWM信号四通道输出模块；

所述辅助飞行控制器包括PI控制器、陀螺仪、加速度计、模数转换器；

所述电源模块、PI控制器、单片机、PWM信号四通道输出模块依次顺序连接；所述陀螺仪、加速度计均与模数转换器相连接，模数转换器与PI控制器连接，所述无线接收模块、图像传感器、无线发送模块均与单片机相连接；

所述电源模块连接图像传感器；

所述四通道输出模块连接飞行控制器的螺旋桨马达的控制电路。

2.根据权利要求1所述的一种飞行控制器，其特征在于，

所述电源模块包括为DC/DC双路直流电源输出模块，包括半导体5v集成稳压IC和半导体3.3v集成稳压IC，分别5v和3.3v电压。

3.根据权利要求1所述的一种飞行控制器，其特征在于，

所述单片机为28Pin DIP封装单片机。

4.根据权利要求1所述的一种飞行控制器，其特征在于，

所述螺旋桨马达包括前螺旋桨马达、后螺旋桨马达、左螺旋桨马达、右螺旋桨马达。

5.根据权利要求1所述的一种飞行控制器，其特征在于，

所述前螺旋桨马达、后螺旋桨马达、左螺旋桨马达、右螺旋桨马达的控制电路分别连接PWM信号四通道输出模块的四个输出通道。

6.根据权利要求1所述的一种飞行控制器，其特征在于，所述单片机包括8MHz晶体振荡器。

7.一种飞行控制器辅助飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1，***初始化：保持机身水平，***记录起始零点的状态参数，状态参数包括中断计时频率、方向角ω、俯仰角θ、侧滚角Φ的零点位置；

S2，接收遥控器发出的控制讯号，所述控制讯号包括油门、方向角、俯仰角、侧滚角；

S3，采集陀螺仪与加速度计所探测的即时信号；

S4，所述步骤S2、S3的数据经过A/D转换后进入PI控制器运算，当陀螺仪与加速度计所探测的即时信号与零点位置的状态参数存在误差时，PI控制器将陀螺仪与加速度计修正至零点位置，与飞行器保持稳定；

S5，遥控器送出的控制量与PI控制器产生的控制量运算后输出四个频道的PWM信号到四组马达，经由PWM信号的责任周期变化控制直流马达转速，使飞行器的浮力达到稳定状态。

8.根据权利要求7所述的一种飞行控制器辅助飞行控制方法，其特征在于，

通过飞行器上的加速度计采集的即时信号的X、Y的分量变化来测量飞行器的水平姿态，其中X轴的分量来探测飞行器的俯仰角变化，Y轴则是探测侧滚角的变化。

9.根据权利要求7所述的一种飞行控制器辅助飞行控制方法，其特征在于，所述方向角ω是由陀螺仪探测，由四组旋翼彼此的转速比例控制方向角ω的实际角度。