CN104875890A - 四旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四旋翼飞行器，其包括机体、电机和电路板；所述电路板上设置有飞行控制系统，所述飞行控制系统包括主控计算机和姿态控制器；所述主控计算机为板载计算机。本发明通过在四旋翼飞行器的姿态控制器上加装一块低性能板载计算机，由其通过Wi-Fi模块连接无线路由器组建的无线网络搭建一个基于机器人操作系统(ROS)的网络框架，再将各类飞行数据发送到ROS网络中，再传输到地面站PC，由地面站PC处理大量的数据，并计算出相应的控制指令控制四旋翼的飞行，因此，所述板载计算机的运算量较小，能满足所述四旋翼飞行器的自主飞行要求。

Description

四旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及一种飞行器，尤其涉及一种四旋翼飞行器。

背景技术

微小型四旋翼飞行器的自主飞行是当前研究的热点内容之一。但是由于微小型四旋翼飞行器的有效载荷低，而一般的高性能的板载计算机重量都会超过其最大负载，低性能的板载计算机虽然重量低但其处理性能无法满足其自主飞行的要求。

发明内容

本发明目的是提供一种四旋翼飞行器，其采用重量较低的板载计算机，而且能满足其自主飞行。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种四旋翼飞行器，其包括机体、电机和电路板；

所述电路板固定于所述机体上；所述电机的数量为4个，所述四个电机分别固定于所述机体的四个角部上，所述电机的输出轴上安装有螺旋桨叶片；

所述电路板上设置有飞行控制系统，所述飞行控制系统包括主控计算机、姿态控制器、光流传感器、惯性测量单元、红外测距仪、遥控器和电子调速器；

所述主控计算机为板载计算机；

所述姿态控制器包括处理器、A/D转换模块、脉冲捕获单元、PWM模块、第一串行通信接口、第二串行通信接口和第三串行通信接口；所述A/D转换模块、脉冲捕获单元、PWM模块、第一串行通信接口、第二串行通信接口和第三串行通信接口均与所述处理器信号连接；

所述主控计算机通过所述第三通信接口与所述姿态控制器信号连接；

所述光流传感器通过所述第一串行通信接口与所述处理器信号连接；

所述惯性测量单元通过第二串行通信接口与所述处理器信号连接；

所述红外测距仪通过A/D转换模块与所述姿态控制器的处理器信号连接；

所述遥控器通过所述脉冲捕获单元与所述姿态控制器的处理器信号连接；

所述电机通过电子调速器与所述PWM模块连接。

可选的，所述机体呈中心对称结构，且其包括碳纤维板、碳纤维杆和起落架，所述碳纤维板的形状为方形，其四个角部分别与四根圆形碳纤维杆相连，起落架固定于所述碳纤维板的底部；所述四个电机分别固定于所述四个碳纤维杆的另一端。

可选的，所述起落架采用工程塑料制备。

可选的，所述起落架包括两个半圆形的缓冲杆和四个横杆；所述两个半圆形的缓冲杆之间相互平行，所述两根横杆固定于所述两个半圆形的缓冲杆的中部，所述碳纤维板固定于所述缓冲杆中部的两根横杆上，并使得所述碳纤维板位于所述机体中央，另两根横杆分别固定于所述两个缓冲杆的底端，且所述四根横杆之间相互平行。

可选的，所述四旋翼飞行器还包括GPS模块、Wi-Fi模块和摄像头；所述GPS模块、Wi-Fi模块和摄像头均通过USB接口与所述主控计算机连接。

本发明具有如下有益效果：本发明通过在四旋翼飞行器的姿态控制器上加装一块低性能板载计算机，由其通过Wi-Fi模块连接无线路由器组建的无线网络搭建一个基于机器人操作系统(ROS)的网络框架，再将各类飞行数据发送到ROS网络中，再传输到地面站PC，由地面站PC处理大量的数据，并计算出相应的控制指令控制四旋翼的飞行，因此，所述板载计算机的运算量较小，能满足所述四旋翼飞行器的自主飞行要求。

附图说明

图1为本发明的四旋翼飞行器的结构示意图；

图2为本发明的四旋翼飞行器的电路结构示意图；

图中标记示意为：1-机体；2-电机；3-电路板；4-主控计算机；5-光流传感器；6-惯性测量单元；7-红外测距仪；8-遥控器；9-电子调速器；10-处理器；11-A/D转换模块；12-脉冲捕获单元；13-PWM模块；14-第一串行通信接口；15-第二串行通信接口；16-第三串行通信接口；17-GPS模块；18-Wi-Fi模块；19-摄像头。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例提供了一种四旋翼飞行器，其包括机体1、电机2和电路板3。

所述机体呈中心对称结构，且其包括碳纤维板、碳纤维杆和起落架，所述碳纤维板为两层，所述碳纤维板的形状为方形，其四个角部分别与四根圆形碳纤维杆相连，起落架固定于所述碳纤维板的底部，本实施例中，所述起落架可以采用工程塑料制备，而且采用工程塑料制备的起落架重量很轻，柔韧性好，可以承受很大形变，在降落时缓解了大量的冲击力。

所述起落架包括两个半圆形的缓冲杆和四个横杆；所述两个半圆形的缓冲杆之间相互平行，所述两根横杆固定于所述两个半圆形的缓冲杆的中部，所述碳纤维板固定于所述缓冲杆中部的两根横杆上，并使得所述碳纤维板位于所述机体中央，另两根横杆分别固定于所述两个缓冲杆的底端，且所述四根横杆之间相互平行。

所述电机为四个，所述四个电机分别固定于所述四个碳纤维杆的另一端，且所述电机的输出轴上均固定有螺旋桨叶片。

所述电路板固定于所述碳纤维板上，且所述电路板上设置有飞行控制系统，所述飞行控制系统包括主控计算机4、姿态控制器、光流传感器5、惯性测量单元6、红外测距仪7、遥控器8和电子调速器9。

所述主控计算机为BeagleBone Black板载计算机，当然所述主控计算机也可以为树莓派；所述主控计算机通过串行通信接口与所述姿态控制器进行通信，即所述主控计算机包括计算机串行通信接口，所述姿态控制器包括第三串行通信接口，所述计算机串行通信接口与所述第三串行通信接口信号连接。本实施例中，为了开发四旋翼飞行器的自主飞行能力，所述主控计算机接收以MAVLink协议封装的飞行数据，并将该数据传输至所述姿态控制器的处理器。

所述姿态控制器包括处理器10、A/D转换模块11、脉冲捕获单元12、PWM模块13、第一串行通信接口14、第二串行通信接口15和第三串行通信接口16；所述A/D转换模块、脉冲捕获单元、PWM模块、第一串行通信接口、第二串行通信接口和第三串行通信接口均与所述处理器信号连接。

所述光流传感器通过所述第一串行通信接口与所述处理器信号连接，所述光流传感器可以采用PX4FLOW智能光流传感器，其基于ARM Cortex M4，使用一个CMOS机器视觉传感器以64×64的像素分辨率捕捉图像，并以每秒最高250帧的采样频率计算光流值；所述光流传感器通过第一串行通信接口与所述姿态控制器的处理器连接，输出四旋翼飞行器的平移速度分量(测量当前机体的平移速度分量(x轴、y轴方向))，能用于克服惯性测量单元漂移造成的悬停不稳定的问题。

所述惯性测量单元通过第二串行通信接口与所述处理器信号连接，所述惯性测量单元可以选用荷兰Xsens公司生产的型号为MTi-G的惯性测量单元，其具有体积小、功耗低、成本低、重量轻的优点，其能够检测机体运动时的三轴姿态数据、三轴角速度和三轴角加速度，其中姿态数据以欧拉角或者四元数表示。其通过第二串行通信接口与所述姿态控制器的处理器连接，输出偏航角、俯仰角、横滚角以及对应的角速度。

所述红外测距仪通过A/D转换模块与所述姿态控制器的处理器信号连接，输出模拟信号，由A/D转换模块转换成数字信号得到高度值；本实施例中，所述红外测距仪可以采用SHARP生产的型号为GP2Y0A02YK0F的红外测距传感器。

所述遥控器通过所述脉冲捕获单元与所述姿态控制器的处理器信号连接，所述遥控器主要用于下达起飞、上升、下降、前进、后退、左移、右移、左旋、右旋、降落等命令；本实施例中，所述遥控器采用2.4GHz六通道FUTABA远程遥控器输出4路PWM信号，由姿态控制器的脉冲捕获单元(eCAP)获取并换算为期望的高度、俯仰角、横滚角以及偏航角。

所述电机通过电子调速器与所述PWM模块连接，所述电机采用X2216外转子无刷直流电机，所述姿态控制器的处理器根据所述光流传感器、惯性测量单元、红外测距仪和遥控器所检测的数据，控制PWM模块，所述PWM模块输出计算得到的占空比到电子调速器，电子调速器输出相应的电压控制电机转动。所述外转子无刷直流电机搭配10A无刷电调，其通过反电势检测过零点进行电子换相，因此具有更高的效率和可靠性。电调使用的是Micrecopter专门为四旋翼飞行器设计的无刷直流电调，该电调通过500Hz的PWM脉冲来控制电机。

本实施例中，所述四旋翼飞行器还包括GPS模块17、Wi-Fi模块18和摄像头19；所述GPS模块、Wi-Fi模块和摄像头均通过USB接口与所述主控计算机连接，以将所述GPS模块所检测的所述四旋翼飞行器的位置数据发送至所述主控计算机，所述Wi-Fi模块用于与地面站PC进行通信，以通过所述地面站PC对所述旋翼飞行器进行控制；所述摄像头可以对所述四旋翼飞行器的周围环境进行拍摄。

本实施例中，所述处理器为TI公司生产的型号为TMS320F28335的DSP。

本实施例中，所述四旋翼飞行器还包括电源，所述电源使用的是12.5V可充电锂电池，电池容量4500mAh，其可以维持四旋翼飞行器飞行30分钟左右。

本发明通过在四旋翼飞行器的姿态控制器上加装一块板载计算机，由其通过Wi-Fi模块连接无线路由器组建的无线网络搭建一个基于机器人操作系统(ROS)的网络框架，再将各类飞行数据发送到ROS网络中，再传输到地面站PC，由地面站PC处理大量的数据，并计算出相应的控制指令控制四旋翼的飞行。

本发明的四旋翼飞行器的主控计算机可以通过摄像头采集视频流，并通过GPS采集位置信息；可以接收来自姿态控制器的控制指令并解析，而且可以接收来自地面站PC的控制指令并以MAVLink协议封装发送给姿态控制器；所述姿态控制器接收来自主控计算机的控制指令，包括期望的姿态角和油门(控制期望的高度)，并通过所述PWM模块控制电机运动，以执行上述指令。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种四旋翼飞行器，其特征在于，包括机体、电机和电路板；

所述电路板固定于所述机体上；所述电机的数量为4个，所述四个电机分别固定于所述机体的四个角部上，所述电机的输出轴上安装有螺旋桨叶片；

所述电路板上设置有飞行控制系统，所述飞行控制系统包括主控计算机、姿态控制器、光流传感器、惯性测量单元、红外测距仪、遥控器和电子调速器；

所述主控计算机为板载计算机；

所述姿态控制器包括处理器、A/D转换模块、脉冲捕获单元、PWM模块、第一串行通信接口、第二串行通信接口和第三串行通信接口；所述A/D转换模块、脉冲捕获单元、PWM模块、第一串行通信接口、第二串行通信接口和第三串行通信接口均与所述处理器信号连接；

所述主控计算机通过所述第三通信接口与所述姿态控制器信号连接；

所述光流传感器通过所述第一串行通信接口与所述处理器信号连接；

所述惯性测量单元通过第二串行通信接口与所述处理器信号连接；

所述红外测距仪通过A/D转换模块与所述姿态控制器的处理器信号连接；

所述遥控器通过所述脉冲捕获单元与所述姿态控制器的处理器信号连接；

所述电机通过电子调速器与所述PWM模块连接。

2.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述机体呈中心对称结构，且其包括碳纤维板、碳纤维杆和起落架，所述碳纤维板的形状为方形，其四个角部分别与四根圆形碳纤维杆相连，起落架固定于所述碳纤维板的底部；所述四个电机分别固定于所述四个碳纤维杆的另一端。

3.根据权利要求2所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述起落架采用工程塑料制备。

4.根据权利要求3所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述起落架包括两个半圆形的缓冲杆和四个横杆；所述两个半圆形的缓冲杆之间相互平行，所述两根横杆固定于所述两个半圆形的缓冲杆的中部，所述碳纤维板固定于所述缓冲杆中部的两根横杆上，并使得所述碳纤维板位于所述机体中央，另两根横杆分别固定于所述两个缓冲杆的底端，且所述四根横杆之间相互平行。

5.根据权利要求4所述的四旋翼飞行器，其特征在于，还包括GPS模块、Wi-Fi模块和摄像头；所述GPS模块、Wi-Fi模块和摄像头均通过USB接口与所述主控计算机连接。