CN104773289A - 一种基于物联网的微型四旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的微型四旋翼飞行器，包括X型镂空设计的飞控板，飞控板的四个顶角位置设置有圆孔，四个圆孔上分别安装旋翼，飞控板上设置有电路***。电路***包括主控制器MCU，三轴陀螺仪传感器、三轴加速度传感器、三轴磁力计传感器、蓝牙通信模块、空心杯电机、USB接口稳压电源、状态显示发光二极管。本发明的有益效果是采用“X”型设计，飞控板大面积镂空，在不降低飞控受力的情况下大幅度减少飞控PCB面积，减轻飞控重量。适合在复杂地形环境中使用，尤其是人不易或不能进入的恶劣环境。具有广阔的应用价值。

Description

一种基于物联网的微型四旋翼飞行器

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，涉及一种基于物联网的微型四旋翼飞行器。

背景技术

四旋翼飞行器(Quad-rotor Aircraft)是由四螺旋桨驱动的、能够实现垂直起降的飞行器，由前后和左右两组旋翼组成，旋转时对应方向上电机旋转方向相反。四旋翼飞行器能够实现垂直起降和空中自由悬停，其机动性能远远优于固定翼机型无人飞行器。并且体积小、质量轻、携带方便，比较适合在复杂地形环境、城市街道等狭窄的空间中使用，尤其是四旋翼飞行器能轻易进入而人不易或不能进入的恶劣环境。还可在近地面环境中执行监视和侦察等任务，具有广阔的民用和军事应用前景。同时，四旋翼飞行器具有结构简单、体积小、成本低廉等优点，正受到国内外科研机构和高校的关注，成为小型无人机领域中的研究热点。

在我国，迄今为止，对于四旋翼飞行器的基础理论与应用实验研究还处于起步阶段，其涉及到许多关键技术的融合，如制造技术、结构设计、材料工程、空气动力学、自主飞行控制与导航、图像处理和先进通信技术、高效能源、微机电技术、传感器技术等。四旋翼飞行器可广泛应用于军事、国防、宇宙空间探索、抢险救灾、地理信息测绘、环境监视、农林业应用、管线巡检及影视制作等多个领域，因此具有广阔的应用价值。

随着计算机技术、制造技术和通信技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、精度高的新型传感器的不断问世，四旋翼飞行器的性能从而不断地得到提高，正朝着微小型化、智能化、自主导航与多功能化、低成本以及使用方便等方向发展。随着物联网技术的发展，将其应用在四旋翼飞行器中，所构成的基于物联网的微型四旋翼飞行器非常适宜时代的需要与潮流，其研发过程不仅解决了自身存在的诸多问题，而且更为重要的是在于它还积极促进和推动了许多相关技术领域的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于物联网的微型四旋翼飞行器，结构简单、体积小、成本低廉，并能够实现垂直起降和空中自由悬停，适合在复杂地形环境中使用，尤其是人不易或不能进入的恶劣环境。

本发明所采用的技术方案是，一种基于物联网的微型四旋翼飞行器，包括微型四旋翼飞行器与智能飞行控制***(一款安装在智能手机上的管理软件)，二者之间通过蓝牙(BlueTooth)进行数据通信。智能飞行控制***把智能手机既当作遥控器，也当作接收器。用户通过操作智能飞行控制***，来管理、控制微型四旋翼飞行器的飞行：垂直上升、垂直下降、向左移动、向右移动、向前移动、向后移动、空中悬停、紧急停机等，并且微型四旋翼飞行器的飞行姿态数据同时也会实时显示在智能飞行控制***上。微型四旋翼飞行器包括X型镂空设计的飞控板，飞控板的四个顶角位置设置有圆孔，四个圆孔上分别安装旋翼，飞控板上设置有电路***。

本发明的特征还在于，电路***包括主控制器MCU，三轴陀螺仪传感器、三轴加速度传感器、三轴磁力计传感器、蓝牙通信模块、空心杯电机、USB接口稳压电源、状态显示发光二极管。

主控制器MCU采用STM32F103CBT6。

三轴陀螺仪传感器、三轴加速度传感器采用MPU6050。

三轴磁力计传感器采用HMC5883。

蓝牙通信模块采用BF4030模块。

USB接口稳压电源采用TP4056。

本发明的有益效果是：在硬件设计中，采用“X”型设计，飞控板大面积镂空，既美观，同时又在不降低飞控受力的情况下大幅度减少飞控PCB面积，减轻飞控重量。在软件设计中，采用四元数计算飞控姿态角，具有运算量小、精度高、更新速度快等优点；使用串级PID，对多个飞控状态量进行合理控制，获得更稳定的飞行姿态和更迅速的姿态响应。由于微型四旋翼飞行器体积小、质量轻、携带方便，适合在复杂地形环境中使用，尤其是人不易或不能进入的恶劣环境。微型四旋翼飞行器可广泛应用于军事、国防、宇宙空间探索、抢险救灾、地理信息测绘、环境监视、农林业应用、管线巡检及影视制作等多个领域，因此具有广阔的应用价值。

附图说明

图1是本发明的基于物联网的微型四旋翼飞行器的功能框图。

图2是本发明的微型四旋翼飞行器不带螺旋桨时结构图。

图3是本发明的微型四旋翼飞行器的电路***结构框图。

图中，1.飞控板，2.圆孔，3.电路***，4.主控制器MCU，5.三轴陀螺仪传感器，6.三轴加速度传感器，7.三轴磁力计传感器，8.蓝牙通信模块，9.空心杯电机，10.USB接口稳压电源，11.状态显示发光二极管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种基于物联网的微型四旋翼飞行器，功能结构如图1所示，包括微型四旋翼飞行器与智能飞行控制***(一款安装在智能手机上的管理软件)，二者之间通过蓝牙(BlueTooth)进行无线数据通信。智能飞行控制***把智能手机既当作遥控器，也当作接收器。用户通过操作智能飞行控制***，来管理、控制微型四旋翼飞行器的飞行：垂直上升、垂直下降、向左移动、向右移动、向前移动、向后移动、空中悬停、紧急停机等，并且微型四旋翼飞行器的飞行姿态数据同时也会实时显示在智能飞行控制***上。

微型四旋翼飞行器的机械结构如图2所示，包括X型镂空设计的飞控板1，飞控板1的四个顶角位置设置有圆孔2，四个圆孔2上分别安装旋翼，飞控板1上设置有电路***3。

电路***3的结构如图3所示，包括主控制器MCU4，三轴陀螺仪传感器5、三轴加速度传感器6、三轴磁力计传感器7、蓝牙通信模块8、空心杯电机9、USB接口稳压电源10、状态显示发光二极管11。

主控制器MCU4采用STM32F103CBT6，该控制器采用高性能的ARMCortex^TM-M332位的RISC内核，工作频率72MHz，内置高速存储器，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。其中，含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还含标准和先进的通信接口：多达2个I²C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。

三轴陀螺仪传感器5、三轴加速度传感器6采用高集成度的MPU6050，该器件集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP(Digital Motion Processor)。MPU6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000dps，加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g。MPU6050采用400kHz的I²C接口与MCU进行数据通信。该芯片尺寸4×4×0.9mm，采用QFN封装。

三轴磁力计传感器7采用HMC5883芯片，该器件是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。包括最先进的高分辨率磁阻传感器，并附带集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1°～2°的12位模数转换器，能在±8高斯的磁场中实现5毫高斯分辨率。其采用I²C总线与MCU进行数据通信。

蓝牙通信模块8采用BF4030蓝牙模块，支持蓝牙4.0标准协议的双模(Dual-Mode)蓝牙模组，同时支持BT3.0 Classic模式以及BT4.0 BLE模式。蓝牙通信模块8基于蓝牙领先芯片供应商Broadcom公司的HCI芯片与MCU芯片架构，遵循BT4.0蓝牙规范，具有工业级设计、传输距离远、数据稳定，可广泛用于同时支持Android与iOS操作***的应用。该蓝牙模块的特点：支持标准BT3.0+EDR、标准BT4.0 BLE协议、SPP协议，支持UART、I²C、SPI通信接口。

USB接口稳压电源10采用TP4056芯片，是一款完整的单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器。由于采用了内部PMOSFET架构，加上防倒充电路，所以不需要外部隔离二极管。热反馈可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。充电电压固定于4.2V，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值1/10时，TP4056将自动终止充电循环。当输入电压(交流适配器或USB电源)被拿掉时，TP4056将自动进入一个低电流状态，将电池漏电流降至2μA以下。TP4056在有电源时也可置于停机模式，以将供电电流降至55μA。TP4056的其他特点包括电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电和两个用于指示充电、结束的LED状态引脚。

状态显示发光二极管11，用来显示电池电量情况，如电量不足、电量正常、正在充电与飞行状态。

微型四旋翼飞行器实现飞行还需要智能飞行控制***，该***是基于智能手机的APP软件，用来实现无线控制四旋翼飞行器上的四个空心杯电机，以达到控制飞行器的飞行：垂直上升、垂直下降、向左移动、向右移动、向前移动、向后移动、空中悬停、紧急停机等。同时微型四旋翼飞行器的飞行状态与参数通过蓝牙传送给智能飞行控制***，并在智能飞行控制***上实时显示。

Claims (7)

1.一种基于物联网的微型四旋翼飞行器，其特征在于，包括X型镂空设计的飞控板(1)，飞控板(1)的四个顶角位置设置有圆孔(2)，四个圆孔(2)上分别安装旋翼，飞控板(1)上设置有电路***(3)。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的微型四旋翼飞行器，其特征在于，所述电路***(3)包括主控制器MCU(4)，三轴陀螺仪传感器(5)、三轴加速度传感器(6)、三轴磁力计传感器(7)、蓝牙通信模块(8)、空心杯电机(9)、USB接口稳压电源(10)、状态显示发光二极管(11)。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的微型四旋翼飞行器，其特征在于，所述主控制器MCU(4)采用STM32F103CBT6。

4.根据权利要求2所述的一种基于物联网的微型四旋翼飞行器，其特征在于，所述三轴陀螺仪传感器(5)、三轴加速度传感器(6)采用MPU6050。

5.根据权利要求2所述的一种基于物联网的微型四旋翼飞行器，其特征在于，所述三轴磁力计传感器(7)采用HMC5883芯片。

6.根据权利要求2所述的一种基于物联网的微型四旋翼飞行器，其特征在于，所述蓝牙通信模块(8)采用BF4030蓝牙模块。

7.根据权利要求2所述的一种基于物联网的微型四旋翼飞行器，其特征在于，所述USB接口稳压电源(10)采用TP4056型号。