[發明專利]一種太陽能續航的四旋翼飛行器及控制方法

有效

• 申請號: 201710262287.9
• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN107065927B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 任齊凱;余善恩;尹克;毛路;孟祥松;王旭;譚國雄;王永銘;黃培武;胡友鵬
• 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
• 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

1.一種太陽能續航的四旋翼飛行器，其特征在于：包括主控制驅動模塊、超聲波定高模塊、位置監控模塊、太陽能充電模塊和電源控制驅動模塊；

所述的主控制驅動模塊包括串口通信電路、MCU控制電路和MPU6050檢測模塊；所述的超聲波定高模塊用于測量飛行器的飛行高度，并將高度數據信息傳送給主控制驅動模塊；所述的位置監控模塊包括攝像頭模塊和位置標定單元，攝像頭模塊將采集數據傳送給主控制驅動模塊；位置標定單元將采集數據傳送給主控制驅動模塊；太陽能充電模塊包括太陽能板和充電模塊，實時為電池充電；電源控制驅動模塊包括電量監測電路和電池切換電路，實時為主控制驅動模塊提供穩定的電壓和電流；

所述的主控制驅動模塊中MCU控制電路接收來自MPU6050檢測的角速度和角加速度信息，再通過串級PID算法運算出四個無刷電機所需要的不同的PWM波調節無刷電機的不同轉速，使得四軸飛行器能夠穩定的懸停在空中；MPU6050模塊不斷檢測飛行器的角速度和角加速度傳給MCU控制電路，主控制器計算出角度并顯示在OLED顯示屏上；角度信息通過串級PID算法計算出四路PWM波占空比控制四個電機轉速，使得飛行器能夠平穩飛行；

所述的超聲波定高模塊測量或設定不同的高度，同時將高度數據傳輸給主控制模塊，通過超聲波PID的姿態解算，使得四路電機控制輸出不同的PWM波，這樣四軸飛行器就可以穩定的飛行在我們想要的高度了；超聲波模塊實時監測飛行器高度，將高度信息顯示在OLED顯示屏上，并通過單環PID計算出油門量，將油門量加在四路PWM波占空比上，使得飛行器能夠定高懸停；

所述的攝像頭模塊是自動識別地面的景物，然后經過解算把結果數據傳輸給主控制模塊，然后主控制模塊通過這些數據做出不同的動作；攝像頭采集位置信息，通過算法判斷飛行方向，并將方向信息通過串口通信傳給主控板，然后改變串級PID期望的角度，實現定向飛行；

所述的太陽能充電模塊是在四軸的上表面鋪設一層砷化鎵太陽能電池板，在白天太陽能板可以接收太陽能，轉化為電能再通過充電電路給四軸電池充電，延長電池的使用時間；當采集到的電壓低于設定值時，便啟動電池轉換電路更換電池；太陽能電池板全程工作發電為不工作電池充電；

所述的MCU控制電路，包括第一芯片MCU，第一芯片MCU的型號為STM32F103VCT6；

所述的第一芯片MCU的第二十三引腳、二十四引腳、二十五引腳和二十六引腳與四路電機連接，第一芯片MCU的第九十二引腳與MPU6050模塊的第四引腳連接，第一芯片MCU的第九十三引腳與MPU6050模塊的第三引腳連接，第八十六引腳和八十七引腳與超聲波模塊的第二和第三引腳相連接，第五十五引腳和五十六引腳與攝像頭模塊的RXD和TXD引腳相連接；第一芯片MCU的第十四引腳與第三電容C3的一端、第一開關S1的一端、第十一電阻R1-1的一端連接，第十一電阻R1-1的另一端接VCC3.3，第三電容C3的另一端與第一開關S1的另一端接地，第一芯片MCU的第八引腳與第一晶振的Y1的一端、第二電容C2的一端連接，第九引腳與第一晶振Y1的另一端、第一電容C1的一端連接，第一電容C1的另一端、第二電容C2的另一端接地，第七十六引腳與串口下載SWD的3腳連接，第七十二引腳與串口下載SWD的2腳連接，串口下載SWD的4腳接地，串口下載的SWD的1腳加VCC3.3；第一芯片MCU的第九十四引腳與第八電阻R8的一端連接，第八電阻R8的另一端接地，第一芯片MCU的第三十八引腳與第九電阻R9的一端連接，第九電阻R9的另一端接地；第一芯片MCU的第八十一引腳與OLED模塊的第一引腳連接，第一芯片MCU的第八十二引腳與OLED模塊的第二引腳連接，第一芯片MCU的第八十三引腳與OLED模塊的第三引腳連接，第一芯片MCU的第八十四引腳與OLED模塊的第四引腳連接，OLED模塊的第五引腳接VCC3.3，OLED模塊的第六引腳接地，MPU6050模塊的第一引腳、第二引腳與VCC3.3連接，MPU6050模塊的第七引腳和第八引腳接地，第一芯片MCU的第五十六引腳與超聲波模塊的第五引腳和第六引腳連接，第一芯片的MCU的第五十五引腳與超聲波模塊的第三引腳和第四引腳連接，超聲波模塊的第一引腳和第二引腳接VCC5S，超聲波模塊的第七引腳和第八引腳接地，第一芯片MCU的第六十九引腳與攝像頭模塊的第七引腳連接，第一芯片MCU的第六十八引腳與攝像頭模塊的第八引腳連接，攝像頭模塊的第二引腳接地，攝像頭模塊的第三引腳接VCC5V，攝像頭模塊的第四引腳接VCC，攝像頭模塊的第一引腳、第五引腳、第六引腳、第九引腳，第十引腳架空，第一芯片MCU的第六引腳、第十一引腳、第二十一引腳、第二十二引腳、第二十八引腳、第五十引腳、第七十五引腳和第一百引腳接3.3V電壓；MCU的第十引腳、第十九引腳、第二十引腳、第二十七引腳、第四十九引腳、第七十四引腳和第九十九引腳均接地；

所述的太陽能充電模塊，包括第一充電芯片U1，第二芯片U2；第一充電芯片的型號為BQ24032，第二芯片U2的型號為LM108X；

第二芯片U2的3腳與第四電容C4的正極、第六電容C6的一端連接并接太陽能電池板的2腳，太陽能電池板的1腳接地，第四電容C4的負極與第六電容C6的另一端、第二芯片U2的1腳、第七電容C7的一端、第五電容C5的負極連接，第二芯片U2的2腳與第七電容C7的另一端、第五電容C5的正極連接并作為電源輸出端；

第一充電芯片U1的第四引腳與第二電容C2正極連接并接第二芯片U2的2腳，第二電容C2的另一端與地相連接，第一充電芯片U1的第18引腳與第一電阻R1的一端連接，第一電阻R1的另一端與第一發光二極管D1的陰極相連接，第一充電芯片U1的第九引腳與第一充電芯片U1的第十引腳、第一發光二極管D1的陽極連接并接第二芯片U2的2腳，第一充電芯片U1的第一引腳與第一電容C1的正極并與測試端口的3腳連接，第一電容C1的另一端接地，第一充電芯片U1的第十五引腳，第十六引腳與第十七引腳與電池的1腳、第三電容C3的負極與地相連；第一充電芯片U1的第十三引腳與第三電阻RP1的活動端連接，第三電阻RP1的固定端與地相連；第一充電芯片U1的第十一引腳與地相連；第一充電芯片U1的第五引腳、第六引腳與測試端口的1腳、第八電容C8的負極接地，第一充電芯片U1的第十二引腳與測試端口的2腳連接，第十引腳與第二電阻RP2的活動端連接，第二電阻RP2的固定端接地，第一充電芯片U1的第十四引腳與測試端口的3腳連接，第十九引腳、第二十引腳架空；電池的2腳，測試端口的4腳接地；

所述的電量監測電路，包括第三電源芯片U3，第三電源芯片U3的，第三電源芯片型號為TPS54229S；

第三電源芯片U3的第一引腳與第四電容C4-2的一端連接，第四電容C4-2的另一端與第三電源芯片的第三引腳、第一電感L1-2的一端連接，第一電感L1-2的另一端與第五電容C5-2的一端、第六電容C6-2的一端、第四電阻R1S的一端連接并接VCC5VS；第二引腳與第十二電容C1-2的另一端連接、第三電源芯片U3的第四引腳、第二十二電容C2-2的一端；第三十二電容C3-2的一端、第二十二電阻R2-2S的一端、第六電容C6-2的另一端連接并接地；第三電源芯片U3的第五引腳與第五電容C5-2的另一端相連接，第十二電阻R1-2S的另一端與第四電阻R1S的另一端相連接，第三電源芯片U3的第六引腳與第二十二電容C2-2的另一端相連接，第三電源芯片U3的第七引腳與第三十二電阻R3-2的一端相連接，第三十二電阻R3-2的另一端接VCC12V，第三電源芯片U3的第八引腳與第三十二電容C3-2的另一端相連接，第二十電阻R2S的另一端與第二十二電阻R2-2S的另一端相連接；第三電源芯片U3的其余引腳皆架空。