[發明專利]一種基于手機控制的水下直升機及控制方法

在審

• 申請號: 201710261717.5
• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN107315418A
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 鄒恒;余善恩;周杰;楊鵬程;蔣彬;朱寬;黃章達;趙小虎;趙明洋;王建輝
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G05D1/08
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙)33240
• 代理人: 杜軍

1.一種基于手機控制的水下直升機，其特征在于：包括電源模塊電路、控制模塊電路、通信模塊電路、電機驅動模塊與檢測模塊電路；

電源模塊電路為控制模塊電路、通信模塊電路和電機驅動模塊與檢測模塊電路供電，通信模塊電路的輸出端與控制模塊電路的輸入端相連接，控制模塊電路的輸出端與電機驅動模塊與檢測模塊電路的輸入端相連接；

電源模塊電路包括12V轉換為5V電路和5V轉換為3.3V電路；

其中12V轉換為5V電路包括第一電源管理芯片U3、第五濾波電容C5的、第六濾波電容C6、第七濾波電容C7、第八濾波電容C8、一個按鈕開關；電源管理芯片U3型號為AM1117，+5V；

第一電源管理芯片U3的1腳、與第五濾波電容C5的負極、第七濾波電容C7的負極、第六濾波電容C6的一端、第八濾波電容C8的一端連接并聯電源地；第一電源管理芯片3腳、第六濾波電容C6的另一端、第五濾波電容C5的正極通過按鈕開關接+12V；第一電源管理芯片的2腳與第七濾波電容C7的正極、第八濾波電容C8的另一端相連并作為+5V直流電源；

5V電壓轉換為3.3V電路包括第二電源管理芯片U2、第一濾波電容C1的、第二濾波電容C2、第三濾波電容C3、第四濾波電容C4、一個熔斷絲F1；所述的第二電源管理芯片型號為AM1117，+3.3V；

第二電源管理芯片U2的1腳、第一濾波電容C1的負極、第三濾波電容C3的負極和、第二濾波電容C2的一端、第四濾波電容C4的一端均與電源地連接；第二電源管理芯片U2的3腳與第二濾波電容C2的一端、第一濾波電容C1的正極、熔斷絲F1的一端，熔斷絲F1的另一端與+5V直流電源輸出端連接；第二電源管理芯片U2的2腳與第三濾波電容C3的正極、第四濾波電容C4的另一端相連，并作為輸出直流電源3.3V；

控制模塊電路包括單片機控制芯片U1、第十一電阻R11、第十二電阻R12、第十三電阻R13、第十四電阻R14、第十五電阻R15、第十六電阻R16、第三十電阻R30、第三十一電阻R31、第二十九濾波電容C29、第三十濾波電容C30、第三十一濾波電容C31、第三十二濾波電容C32、第三十三濾波電容C33、第一開關按鍵S1、第一晶振Y1、第二晶振Y2、電池BAT1、2x3排針BOOT；

單片機控制芯片U1的25腳與第三十三濾波電容C33的一端、第十六電阻R16的一端、第一開關按鍵S1的一端相連；第十六電阻R16的另一端與+3.3V相連，第三十三濾波電容C33的另一端第一開關按鍵S1的一端連接并聯電源地；單片機控制芯片U1的23腳與第二晶振Y2的一端、第十三電阻R13的一端、第三十一濾波電容C31的一端相連；單片機控制芯片U1的24腳與第十三電阻R13的另一端、第二晶振Y2的另一端、第三十二濾波電容C32的一端相連；第三十一濾波電容C31另一端、第三十二濾波電容C32的另一端都與電源地相連；

單片機控制芯片U1的6腳與第十四電阻R14的一端、第十五電阻R15的一端相連接；第十四電阻R14的另一端接+3.3V，第十五電阻R15的另一端接電池正極，電池負極接地；單片機控制芯片U1的8腳與第十一電阻R11的一端相連，第一晶振Y1的一端與第十一電阻R11的另一端、第二十九濾波電容C29的一端相連；單片機控制芯片U1的9腳與第十二電阻R12的一端相連，第二晶振Y2的另一端與第三十濾波電容C30的一端相連；第三十濾波電容C30、第二十九濾波電容C29的另一端都與電源地相連；

單片機控制芯片U1的48腳通過第三十電阻R30與2x3排針BOOT1管腳3相連，單片機控制芯片U1的138腳通過第三十一電阻R31與2x3排針BOOT管腳4相連，2x3排針BOOT1管腳1、2都接+3.3V，2x3排針BOOT管腳5、6都接地；

單片機控制芯片U1的16腳、38腳、51腳、61腳、71腳、83腳、94腳、107腳、120腳、130腳和143腳接地；單片機控制芯片U1的17腳、52腳、39腳、62腳、72腳、84腳、95腳、108腳、121腳、131腳和144腳接+3.3V；單片機控制芯片U1在文中未提到的管腳置空；

所述的單片機控制芯片U1是整個控制驅動模塊的核心控制芯片，是基于32位的ARM Cortex-M3處理器STM32F103ZET6；

通信模塊電路包括第一通訊控制芯片U4、第二通訊控制芯片U5、第二電阻R2、第三電阻R3、第二十三電容C23、第二十四電容C24、第一三腳接線端子H1、第二三腳接線端子H2；第一通訊控制芯片U4、第二通訊控制芯片U5的型號為MAX485；

第一通訊控制芯片U4的1腳與單片機控制芯片U1的101腳相連接，4腳與單片機控制芯片U1的102腳相連接，第一通訊控制芯片U4的2腳、3腳都與+3.3V相連，第一通訊控制芯片U4的8腳與第二十三電容C23的一端連接并接+3.3V電源、第二十三電容C23的另一端與電源地相連，第一通訊控制芯片U4的5腳接地，第一通訊控制芯片U4的6腳與第一三腳接線端子H1的1腳相連、第二電阻R2的一端相連，第一通訊控制芯片U4的7腳與第一三腳接線端子H1的3腳、第二電阻R2的另一端相連，第一三腳接線端子H1的2腳接地；

第二通訊控制芯片U5的1腳與單片機控制芯片U1的36腳相連接，4腳與單片機控制芯片U1的37腳相連接，第二通訊控制芯片U5的2腳、3腳都與電源地相連，第二通訊控制芯片U5的8腳與第二十四電容C24的一端連接并接+3.3V電源、第二十四電容C24的另一端與電源地相連，第二通訊控制芯片U5的5腳接地，第二通訊控制芯片U5的6腳與第二三腳接線端子H2的1腳相連、第三電阻R3的一端相連，第二通訊控制芯片U5的7腳與第二三腳接線端子H2的3腳、第三電阻R3的另一端相連，第二三腳接線端子H1的2腳接地；

電機驅動芯片使用型號為IBT-2的電機驅動模塊，系統通過輸入PWM波和使能控制信號，控制電機調速和正反轉,包括第一電機驅動模塊M1，第二電機驅動模塊M2，第三電機驅動模塊M3，第四電機驅動模塊M4，第五電機驅動模塊M5，第六電機驅動模塊M6；

第一電機驅動模塊M1的1腳、第一電機驅動模塊M1的2腳與單片機控制芯片U1的42腳相連，第一電機驅動模塊M1的3腳與單片機控制芯片U1的1腳相連，第一電機驅動模塊M1的4腳與單片機控制芯片U1的2腳相連；第一電機驅動模塊M1的7腳與電源+5V相連，第一電機驅動模塊M1的8腳與電源地相連；剩余腳全部懸空；

第二電機驅動模塊M2的1腳、第一電機驅動模塊M2的2腳與單片機控制芯片U1的43腳相連，第二電機驅動模塊M2的3腳與單片機控制芯片U1的1腳相連，第二電機驅動模塊M2的4腳與單片機控制芯片U1的2腳相連；第二電機驅動模塊M2的7腳與電源+5V相連，第二電機驅動模塊M2的8腳與電源地相連；剩余腳全部懸空；

第三電機驅動模塊M3的1腳、第三電機驅動模塊M3的2腳與單片機控制芯片U1的136腳相連，第三電機驅動模塊M3的3腳與單片機控制芯片U1的3腳相連，第三電機驅動模塊M3的4腳與單片機控制芯片U1的4腳相連；第三電機驅動模塊M3的7腳與電源+5V相連，第三電機驅動模塊M3的8腳與電源地相連；剩余腳全部懸空；

第四電機驅動模塊M4的1腳、第四電機驅動模塊M4的2腳與單片機控制芯片U1的137腳相連，第四電機驅動模塊M4的3腳與單片機控制芯片U1的5腳相連，第四電機驅動模塊M4的4腳與單片機控制芯片U1的58腳相連；第四電機驅動模塊M4的7腳與電源+5V相連，第四電機驅動模塊M4的8腳與電源地相連；剩余腳全部懸空；

第五電機驅動模塊M5的1腳、第五電機驅動模塊M5的2腳與單片機控制芯片U1的139腳相連，第五電機驅動模塊M5的3腳與單片機控制芯片U1的3腳相連，第五電機驅動模塊M5的4腳與單片機控制芯片U1的4腳相連；第五電機驅動模塊M5的7腳與電源+5V相連，第五電機驅動模塊M5的8腳與電源地相連；剩余腳全部懸空；

第六電機驅動模塊M6的1腳和第六電機驅動模塊M6的2腳與單片機控制芯片U1的140腳相連，第六電機驅動模塊M6的3腳與單片機控制芯片U1的5腳相連，第六電機驅動模塊M6的4腳與單片機控制芯片U1的58腳相連；第六電機驅動模塊M6的7腳與電源+5V相連，第六電機驅動模塊M6的8腳與電源地相連；剩余腳全部懸空；

檢測模塊電路包括姿態傳感器模塊MPU6050、深度傳感器液位變送器、磁力計HMC5883l、接線端子H2；其中姿態傳感器模塊MPU6050的SDA接單片機控制芯片U1的70腳，SCL腳接單片機控制芯片U1的69腳，VCC腳接+3.3V，GND腳接地，姿態傳感器模塊的剩余引腳架空；磁力計HMC5883l的1腳接+3.3V，2腳接地，3腳接單片機控制芯片U1的114腳，4腳接單片機控制芯片U1的115腳，5腳架空；接線端子H2的1腳接24V，2腳與單片機控制芯片U1的41腳、第四電阻R4的一端相連，第四電阻R4的另一端接地；其中接線端子H-2與液位變送器相連；控制驅動模塊通過通信模塊接收來自檢測模塊的姿態和深度信息，再通過通信模塊將水下直升機的姿態和深度信息發送給手機顯示，用于顯示水下直升機的信息；同時控制驅動模塊接收來自通信模塊中參數設定單元輸入設定的的姿態和深度信息，并將該信息與檢測模塊的姿態和深度信息做比較，并采用單閉環PID控制算法，計算出當前的電機驅動量后調節電機轉速，最終實現水下直升機的水下懸停和五個自由度的定深行走；

通信模塊中的參數設定單元輸入設定的的姿態和深度信息，控制驅動模塊將輸入的目標姿態和深度信息發送給控制驅動模塊中的MCU控制電路，MCU控制電路根據設定的的姿態和深度信息和當前姿態和深度信息計算出PWM波的占空比并產生相應占空比的PWM波，通過PWM波和電機的正反轉驅動電機控制電機轉速。

2.根據權利要求1所述的一種基于手機控制的水下直升機的控制方法，具體包括如下步驟：

步驟1.對檢測模塊、控制模塊、電機驅動模塊和通信模塊進行初始化；

步驟2.手機上位機通信模塊中的參數設定單元輸入設定的的姿態和深度信息，通信模塊將輸入的目標姿態和深度信息發送給控制模塊中的MCU控制電路，MCU控制電路根據水下直升機的目標姿態和深度和當前姿態和深度計算出PWM波的占空比并產生相應占空比的PWM波，通過PWM波驅動電機驅動模塊控制電機轉速；

其中MCU控制電路具體工作如下：

打開MCU控制電路中的MCU的定時器和中斷，輸出設定的PWM波，通過電機驅動模塊電路驅動電機，使水下直升機運動；同時檢測模塊開始測量水下直升機的姿態和深度，通過互補濾波姿態解算，將實時數據傳送給MCU控制電路；同時MCU控制電路通過通信模塊讀取手機通信模塊發送的水下直升機目標姿態和深度信息，并對水下直升機目標姿態和深度信息與其當前目標姿態和深度進行比較，使用模糊PID算法對水下直升機進行穩定控制；MCU控制電路根據實時檢測模塊發送的水下直升機的目標姿態和深度信息，并根據收到的水下直升機目標姿態和深度信息隨時更改模糊PID控制算法數據和控制水下直升機的運動；

步驟3.檢測模塊時刻檢測水下直升機的姿態和深度信息，并將水下直升機的姿態和深度信息發送給控制模塊，控制模塊再通過通信模塊電路將水下直升機的姿態和深度信息發送給手機通信模塊；手機通信模塊中的角度顯示單元顯示水下直升機的姿態和深度信息；并通過手機藍牙軟件進行姿態調整和定深。