本實用新型涉及定位導航與控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種應用于四旋翼飛行器的飛行控制器模塊，具體來說是一種基于瑞薩R5F100LEA主控的四旋翼飛行控制器。

背景技術(shù)：

四旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)簡單、易于操控、可垂直起降、懸停狀態(tài)穩(wěn)定的無人飛行器，通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器有極高的可控性、機動性和穩(wěn)定性，并且具有低噪聲、無污染、攜帶方便、安全危害性小等特點，非常適合于執(zhí)行中短距離的飛行任務。在軍事和民用領(lǐng)域四旋翼飛行器均具有廣闊的應用前景，如偵察監(jiān)視、通信中繼、搜索救援、目標跟蹤、電力檢修、航拍成像等。

隨著無人機的智能化程度越來越高，遙控飛行器的飛控主控制器所要處理的數(shù)據(jù)也越來越多，一方面，增加了飛控主控制器的計算量，從而使其處理其他信息的資源變得越來越少；另一方面，降低了無人機的智能化程度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種基于瑞薩R5F100LEA主控的四旋翼飛行控制器，通過單獨的數(shù)據(jù)處理單元將傳感器信息處理后傳給姿態(tài)控制單元，減輕飛控主控制器的計算量，增加飛控系統(tǒng)的可靠性。

本實用新型為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

基于瑞薩R5F100LEA主控的四旋翼飛行控制器，包括數(shù)據(jù)處理單元、姿態(tài)控制單元、電子羅盤、六軸姿態(tài)傳感器、氣壓計、GPS單元接口、超聲波測距模塊接口、遙控器接收機接口、GPS接收模塊、遙控器接收機、超聲波測距模塊、數(shù)據(jù)輸出接口、飛控狀態(tài)指示燈、獨立按鍵、數(shù)據(jù)存儲器、無線通信模塊接口、電機控制信號接口、無線通信模塊和電機控制模塊；

所述數(shù)據(jù)處理單元分別和電子羅盤、六軸姿態(tài)傳感器、氣壓計、數(shù)據(jù)輸出接口連接；所述GPS接收模塊通過GPS接收模塊接口與數(shù)據(jù)處理單元連接；所述超聲波測距模塊通過超聲波測距模塊接口與數(shù)據(jù)處理單元連接；所述遙控器接收機通過遙控器接收機接口與數(shù)據(jù)處理單元連接；

所述姿態(tài)控制單元分別與數(shù)據(jù)存儲器、飛控狀態(tài)指示燈、獨立按鍵連接；所述無線通信模塊通過無線通信模塊接口與姿態(tài)控制單元連接；所述電機控制模塊通過電機控制信號接口與控制單元連接；

所述數(shù)據(jù)處理單元通過UART串口與所述姿態(tài)控制單元連接；

所述GPS接收模塊用于接收GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)傳遞給所述數(shù)據(jù)處理單元；

所述超聲波測距模塊用于以超聲波測距的方式測量四旋翼飛行器距離地面的高度；

所述數(shù)據(jù)輸出接口用于將數(shù)據(jù)處理單元處理后的數(shù)據(jù)對外輸出；

所述飛控狀態(tài)指示燈用于顯示四旋翼飛行器的飛行模式，所述飛行模式包括手動模式、定高模式、定點模式、自主飛行模式；

所述獨立按鍵用于在四旋翼飛行器起飛之前設(shè)置飛行模式；

所述數(shù)據(jù)存儲器用于存儲姿態(tài)控制單元需要用到的PID控制參數(shù)；

所述姿態(tài)控制單元的芯片型號為R5F100LEA。

作為基于瑞薩R5F100LEA主控的四旋翼飛行控制器進一步的優(yōu)化方案，所述電子羅盤、六軸姿態(tài)傳感器、氣壓計分別通過IIC總線與數(shù)據(jù)處理單元連接，所述數(shù)據(jù)存儲器通過IIC總線與姿態(tài)控制單元連接。

作為基于瑞薩R5F100LEA主控的四旋翼飛行控制器進一步的優(yōu)化方案，所述數(shù)據(jù)處理單元的芯片型號為STM32F103C8T6。

作為基于瑞薩R5F100LEA主控的四旋翼飛行控制器進一步的優(yōu)化方案，所述電子羅盤的芯片型號為HMC5883L。

作為基于瑞薩R5F100LEA主控的四旋翼飛行控制器進一步的優(yōu)化方案，所述六軸姿態(tài)傳感器的芯片型號為MPU6050。

作為基于瑞薩R5F100LEA主控的四旋翼飛行控制器進一步的優(yōu)化方案，所述氣壓計的芯片型號為BMP180。

作為基于瑞薩R5F100LEA主控的四旋翼飛行控制器進一步的優(yōu)化方案，所述數(shù)據(jù)存儲器的芯片型號為AT24C08。

作為基于瑞薩R5F100LEA主控的四旋翼飛行控制器進一步的優(yōu)化方案，所述數(shù)據(jù)輸出接口的串口波特率值為115200。

本實用新型還公開了一種該基于瑞薩R5F100LEA主控的四旋翼飛行控制器的控制方法，包含以下步驟：

步驟1），數(shù)據(jù)處理單元通過IIC總線讀取電子羅盤、六軸姿態(tài)傳感器和氣壓計的感應數(shù)據(jù)，對其進行卡爾曼濾波處理得到三軸磁強度值、三軸加速度值、三軸角速度值和氣壓高度，然后利用得到三軸磁強度值、三軸加速度值、三軸角速度值通過四元數(shù)法解算出四旋翼飛行器的三軸姿態(tài)角；

步驟2），數(shù)據(jù)處理單元讀取GPS接收模塊的感應數(shù)據(jù)，對其進行卡爾曼濾波處理，然后解算出四旋翼飛行器的GPS信息，所述GPS信息包含四旋翼飛行器是否被定位、定位衛(wèi)星的數(shù)量、經(jīng)度、緯度、GPS高度、GPS速度和速度朝向；

步驟3），數(shù)據(jù)處理單元讀取遙控器接收機的信號和超聲波測距模塊的感應型號，解算出四旋翼飛行器的6通道遙控數(shù)據(jù)和超聲高度，所述6通道遙控數(shù)據(jù)包含油門指令THR、偏航指令YAW、滾轉(zhuǎn)指令ROL、俯仰指令PIT、輔助指令AUX1和輔助指令AUX2，所述超聲高度為超聲波測距模塊以超聲波測距的方式測量四旋翼飛行器距離地面的高度；

步驟4），數(shù)據(jù)處理單元通過UART串口輸出處理過的傳感器數(shù)據(jù)，所述處理過的傳感器數(shù)據(jù)包含以下數(shù)據(jù)：三軸磁強度值、三軸加速度值、三軸角速度值、三軸姿態(tài)角、氣壓高度、GPS信息、6通道遙控數(shù)據(jù)和超聲高度；

步驟5），數(shù)據(jù)處理單元通過UART串口將處理過的傳感器數(shù)據(jù)傳輸給姿態(tài)控制單元，姿態(tài)控制單元利用上述傳感器信息通過PID控制方法控制四旋翼飛行器的姿態(tài)和位置。

本實用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、將傳感器信號處理與姿態(tài)控制分別放在兩個不同的單元中進行，減輕飛控系統(tǒng)主控制器的工作負擔，提高了飛控系統(tǒng)的運算速度；

2、可利用的高度信息包括超聲波高度、氣壓高度和GPS高度，當飛行器處于不同高度時，采用上述不同高度傳感器的融合信息有利于提高飛行器的飛行品質(zhì)；

3、設(shè)置了數(shù)據(jù)輸出接口，使得該控制器既可以用作四旋翼飛行控制器，又可以用作航姿傳感器模塊為其他應用系統(tǒng)提供必要的傳感器信息；

4、采用R5F100LEA作為飛控系統(tǒng)的主控芯片，省去大量底層驅(qū)動程序的編寫工作，減小飛控軟件開發(fā)難度。

附圖說明

圖1是本實用新型的硬件結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本實用新型中數(shù)據(jù)處理單元的電氣連接示意圖；

圖3是本實用新型中姿態(tài)控制單元的電氣連接示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型的技術(shù)方案做進一步的詳細說明：

如圖1、圖2和圖3所示，本實用新型公開了一種基于瑞薩R5F100LEA主控的四旋翼飛行控制器，包括數(shù)據(jù)處理單元、姿態(tài)控制單元、電子羅盤、六軸姿態(tài)傳感器、氣壓計、GPS單元接口、超聲波測距模塊接口、遙控器接收機接口、GPS接收模塊、遙控器接收機、超聲波測距模塊、數(shù)據(jù)輸出接口、飛控狀態(tài)指示燈、獨立按鍵、數(shù)據(jù)存儲器、無線通信模塊接口、電機控制信號接口、無線通信模塊和電機控制模塊；

所述數(shù)據(jù)處理單元分別和電子羅盤、六軸姿態(tài)傳感器、氣壓計、數(shù)據(jù)輸出接口連接；所述GPS接收模塊通過GPS接收模塊接口與數(shù)據(jù)處理單元連接；所述超聲波測距模塊通過超聲波測距模塊接口與數(shù)據(jù)處理單元連接；所述遙控器接收機通過遙控器接收機接口與數(shù)據(jù)處理單元連接；

所述姿態(tài)控制單元分別與數(shù)據(jù)存儲器、飛控狀態(tài)指示燈、獨立按鍵連接；所述無線通信模塊通過無線通信模塊接口與姿態(tài)控制單元連接；所述電機控制模塊通過電機控制信號接口與控制單元連接；

所述數(shù)據(jù)處理單元通過UART串口與所述姿態(tài)控制單元連接；

所述GPS接收模塊用于接收GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)傳遞給所述數(shù)據(jù)處理單元；

所述超聲波測距模塊用于以超聲波測距的方式測量四旋翼飛行器距離地面的高度；

所述數(shù)據(jù)輸出接口用于將數(shù)據(jù)處理單元處理后的數(shù)據(jù)對外輸出；

所述飛控狀態(tài)指示燈用于顯示四旋翼飛行器的飛行模式，所述飛行模式包括手動模式、定高模式、定點模式、自主飛行模式；

所述獨立按鍵用于在四旋翼飛行器起飛之前設(shè)置飛行模式；

所述數(shù)據(jù)存儲器用于存儲姿態(tài)控制單元需要用到的PID控制參數(shù)；

所述姿態(tài)控制單元的芯片型號為R5F100LEA。

數(shù)據(jù)處理單元：該飛行控制器采用STM32F103C8T6芯片作為數(shù)據(jù)處理單元，STM32F103C8T6是由STMicroelectronics公司生產(chǎn)的32位Cortex-M3內(nèi)核處理器，共有48引腳，最高工作頻率為72MHz。該芯片擁有36路數(shù)字輸入/輸出接口、4個16位定時器、3個UART通信接口，封裝方式為LQFP48。對于本實用新型所述的航姿傳感器模塊，STM32F103C8T6具有足夠的資源和性能。

姿態(tài)控制單元：選用瑞薩科技公司生產(chǎn)的R5F100LEA作為姿態(tài)控制單元。該芯片共有64個引腳，F(xiàn)lash存儲器大小為64Kb，具有8個IIC控制器、8個SPI控制器、4個UART通信接口。該芯片配合瑞薩科技公司開發(fā)的CubeSuite程序編譯及燒錄軟件使用起來非常方便，可以免去大量的底層驅(qū)動程序的編寫。

電子羅盤：選用美國Honeywell公司生產(chǎn)的HMC5883L電子羅盤，其是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應用于低成本羅盤和磁場檢測領(lǐng)域。能使羅盤精度控制在1°到2°的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，帶有16個引腳，接口為簡易的IIC系列總線，尺寸為3.0×3.0×0.9mm。具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點，是靈敏度最高和可靠性最好的傳感器。

六軸姿態(tài)傳感器：選用美國Invensense公司生產(chǎn)的MPU-6050六軸姿態(tài)傳感器，其整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，為全球首例整合性6軸運動處理組件。MPU-6050以數(shù)字輸出6軸或9軸的旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)、歐拉角格式的融合演算數(shù)據(jù)。相較于多組件方案，MPU-6050免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間，具有低功耗、低成本、高性能的特點。角速度的感測范圍為±250o、±500o、±1000o與±2000o/sec(dsp)，可準確追蹤快速與慢速動作；同時可編程的加速計的感測范圍為±2g、±4g、±8g與±16g。傳感器的測量數(shù)據(jù)最終可通過最高400kHz的IIC總線輸出。

數(shù)字氣壓計：采用德國博世公司生產(chǎn)的BMP180芯片，BMP180是一款低成本、高精度、小體積、超低能耗的氣壓傳感器?？蓽y量的高度范圍為海拔-500m~9000m，高線性模式下測量精度為0.25m。尺寸為3.6mm×3.8×0.93mm，電源電壓為1.8V~3.6V，含有溫度輸出。可通過IIC總線直接與數(shù)據(jù)處理單元相連來輸出數(shù)據(jù)。

超聲波測距模塊接口：可以兼容低成本的超聲波測距模塊，比如深圳市捷深科技有限公司生產(chǎn)的型號為HC-SR04的超聲波單元。該種類型的超聲波單元可提供2cm-400cm非接觸式測距功能，測距精度為3mm。該模塊通過IO口Trig觸發(fā)測距，同時Echo引腳變?yōu)楦唠娖?，收到回波信號后Echo引腳變?yōu)榈碗娖?，Echo引腳持續(xù)的時間即超聲波從發(fā)射到返回所用的時間，距離=(高電平時間*聲速)/2。

GPS接收模塊接口：可兼容UBLOXGPS模塊，通過數(shù)據(jù)處理單元STM32F103C8T6的UART串口與GPS接收模塊相連，串口波特率9600。

遙控器接收機接口：該接收機接口可以兼容Futaba、天地飛等航模遙控器接收機，通過數(shù)據(jù)處理單元STM32F103C8T6的定時器捕獲功能來讀取遙控器接收機輸出PWM波的高電平長度，單位為us。該模塊最多可讀取6通道的遙控器數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)輸出接口：該接口通過串口輸出傳感器數(shù)據(jù)，串口波特率為115200。并且數(shù)據(jù)格式兼容匿名提供的開源飛控上位機v4.06版，在上位機上可以顯示該模塊輸出的所有數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲器：采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C08芯片。該芯片具有8個引腳、8KB的存儲空間，可通過IIC總線進行讀寫存儲器中的數(shù)據(jù)。該芯片具有很好的穩(wěn)定性，支持讀寫次數(shù)一百萬次，數(shù)據(jù)保存時長100年。另外，該芯片操作方便、成本低。

本實用新型的工作方法如下：

(1)數(shù)據(jù)處理單元STM32F103C8T6通過IIC總線讀取電子羅盤、六軸姿態(tài)傳感器和氣壓計的傳感器數(shù)據(jù)，對其進行卡爾曼濾波處理得到三軸磁強度值、三軸加速度值、三軸角速度值和氣壓高度，然后利用得到三軸磁強度值、三軸加速度值、三軸角速度值通過四元數(shù)法解算出四旋翼飛行器的三軸姿態(tài)角；

(2)數(shù)據(jù)處理單元STM32F103C8T6通過UART串口讀取GPS接收模塊的感應數(shù)據(jù)(串口波特率9600)，然后解算出四旋翼飛行器的GPS信息，所述GPS信息包含四旋翼飛行器是否被定位、定位衛(wèi)星的數(shù)量、經(jīng)度、緯度、GPS高度、GPS速度和速度朝向；

(3)數(shù)據(jù)處理單元STM32F103C8T6通過TIMER管腳讀取遙控器接收機通道信號輸出管腳和超聲波測距模塊回波狀態(tài)Echo管腳的高電平長度，解算出四旋翼飛行器的6通道遙控數(shù)據(jù)和超聲高度，所述6通道遙控數(shù)據(jù)包含油門指令THR、偏航指令YAW、滾轉(zhuǎn)指令ROL、俯仰指令PIT、輔助指令AUX1和輔助指令AUX2，所述超聲高度為超聲波測距模塊以超聲波測距的方式測量四旋翼飛行器距離地面的高度；

(4)數(shù)據(jù)處理單元STM32F103C8T6通過UART串口輸出處理過的各傳感器數(shù)據(jù)(串口波特率默認值為115200)，輸出的數(shù)據(jù)包括：三軸姿態(tài)角(俯仰角PIT、滾轉(zhuǎn)角ROL、航向角YAW），三軸加速度值(ACC-X、ACC-Y、ACC-Z)，三軸角速度值(GYR-X、GYR-Y、GYR-Z)，三軸磁強度值(MAG-X、MAG-XY、MAG-Z)，氣壓高度、超聲高度、GPS信息(精度、緯度、定位狀態(tài)、衛(wèi)星數(shù)量、GPS高度、GPS速度、速度朝向)，6通道遙控數(shù)據(jù)(油門指令THR、偏航指令YAW、滾轉(zhuǎn)指令ROL、俯仰指令PIT、輔助指令AUX1、輔助指令AUX2)。

（5）數(shù)據(jù)處理單元STM32F103C8T6通過UART串口輸出處理過的各傳感器數(shù)據(jù)(串口波特率默認值為115200)傳輸給姿態(tài)控制單元R5F100LEA，姿態(tài)控制單元利用上述傳感器信息通過PID控制方法控制四旋翼飛行器的姿態(tài)和位置。

外部5V直流電源通過電源接口給整個飛行控制器供電，經(jīng)穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3轉(zhuǎn)換為3.3V給STM32F103C8T6、R5F100LEA、AT24C08、LED燈及含有3.3V電源的接口供電，3.3V電源再經(jīng)過MIC3219-3.3BM5芯片穩(wěn)壓和濾波處理給傳感器芯片HMC5883L、MPU6050、BMP180供電，同時還可以通過遙控器接收機接口、超聲波測距模塊接口、GPS單元接口中的5V引腳分別給遙控器接收機、超聲波測距模塊、GPS單元供電。

該飛行控制器還包括飛控狀態(tài)指示燈D2-D5和獨立按鍵K1、K2，飛控狀態(tài)指示燈可以實時顯示四旋翼飛行器的狀態(tài)，獨立按鍵可以用來設(shè)置四旋翼飛行器的飛行模式，可以設(shè)置為一鍵起飛模式。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語（包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語）具有與本實用新型所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實施方式，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施方式而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。