基于瑞萨R5F100LEA主控的四旋翼飞行控制器及其控制方法与流程

本发明涉及定位导航与控制技术领域，尤其涉及一种应用于四旋翼飞行器的飞行控制器模块，具体来说是一种基于瑞萨R5F100LEA主控的四旋翼飞行控制器及其控制方法。

背景技术：

四旋翼飞行器是一种结构简单、易于操控、可垂直起降、悬停状态稳定的无人飞行器，通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器有极高的可控性、机动性和稳定性，并且具有低噪声、无污染、携带方便、安全危害性小等特点，非常适合于执行中短距离的飞行任务。在军事和民用领域四旋翼飞行器均具有广阔的应用前景，如侦察监视、通信中继、搜索救援、目标跟踪、电力检修、航拍成像等。

随着无人机的智能化程度越来越高，遥控飞行器的飞控主控制器所要处理的数据也越来越多，一方面，增加了飞控主控制器的计算量，从而使其处理其他信息的资源变得越来越少；另一方面，降低了无人机的智能化程度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于瑞萨R5F100LEA主控的四旋翼飞行控制器及其控制方法，通过单独的数据处理单元将传感器信息处理后传给姿态控制单元，减轻飞控主控制器的计算量，增加飞控系统的可靠性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于瑞萨R5F100LEA主控的四旋翼飞行控制器，包括数据处理单元、姿态控制单元、电子罗盘、六轴姿态传感器、气压计、GPS单元接口、超声波测距模块接口、遥控器接收机接口、GPS接收模块、遥控器接收机、超声波测距模块、数据输出接口、飞控状态指示灯、独立按键、数据存储器、无线通信模块接口、电机控制信号接口、无线通信模块和电机控制模块；

所述数据处理单元分别和电子罗盘、六轴姿态传感器、气压计、数据输出接口连接；所述GPS接收模块通过GPS接收模块接口与数据处理单元连接；所述超声波测距模块通过超声波测距模块接口与数据处理单元连接；所述遥控器接收机通过遥控器接收机接口与数据处理单元连接；

所述姿态控制单元分别与数据存储器、飞控状态指示灯、独立按键连接；所述无线通信模块通过无线通信模块接口与姿态控制单元连接；所述电机控制模块通过电机控制信号接口与控制单元连接；

所述数据处理单元通过UART串口与所述姿态控制单元连接；

所述GPS接收模块用于接收GPS卫星数据，并将接收到的数据传递给所述数据处理单元；

所述超声波测距模块用于以超声波测距的方式测量四旋翼飞行器距离地面的高度；

所述数据输出接口用于将数据处理单元处理后的数据对外输出；

所述飞控状态指示灯用于显示四旋翼飞行器的飞行模式，所述飞行模式包括手动模式、定高模式、定点模式、自主飞行模式；

所述独立按键用于在四旋翼飞行器起飞之前设置飞行模式；

所述数据存储器用于存储姿态控制单元需要用到的PID控制参数；

所述姿态控制单元的芯片型号为R5F100LEA。

作为基于瑞萨R5F100LEA主控的四旋翼飞行控制器进一步的优化方案，所述电子罗盘、六轴姿态传感器、气压计分别通过IIC总线与数据处理单元连接，所述数据存储器通过IIC总线与姿态控制单元连接。

作为基于瑞萨R5F100LEA主控的四旋翼飞行控制器进一步的优化方案，所述数据处理单元的芯片型号为STM32F103C8T6。

作为基于瑞萨R5F100LEA主控的四旋翼飞行控制器进一步的优化方案，所述电子罗盘的芯片型号为HMC5883L。

作为基于瑞萨R5F100LEA主控的四旋翼飞行控制器进一步的优化方案，所述六轴姿态传感器的芯片型号为MPU6050。

作为基于瑞萨R5F100LEA主控的四旋翼飞行控制器进一步的优化方案，所述气压计的芯片型号为BMP180。

作为基于瑞萨R5F100LEA主控的四旋翼飞行控制器进一步的优化方案，所述数据存储器的芯片型号为AT24C08。

作为基于瑞萨R5F100LEA主控的四旋翼飞行控制器进一步的优化方案，所述数据输出接口的串口波特率值为115200。

本发明还公开了一种该基于瑞萨R5F100LEA主控的四旋翼飞行控制器的控制方法，包含以下步骤：

步骤1），数据处理单元通过IIC总线读取电子罗盘、六轴姿态传感器和气压计的感应数据，对其进行卡尔曼滤波处理得到三轴磁强度值、三轴加速度值、三轴角速度值和气压高度，然后利用得到三轴磁强度值、三轴加速度值、三轴角速度值通过四元数法解算出四旋翼飞行器的三轴姿态角；

步骤2），数据处理单元读取GPS接收模块的感应数据，对其进行卡尔曼滤波处理，然后解算出四旋翼飞行器的GPS信息，所述GPS信息包含四旋翼飞行器是否被定位、定位卫星的数量、经度、纬度、GPS高度、GPS速度和速度朝向；

步骤3），数据处理单元读取遥控器接收机的信号和超声波测距模块的感应型号，解算出四旋翼飞行器的6通道遥控数据和超声高度，所述6通道遥控数据包含油门指令THR、偏航指令YAW、滚转指令ROL、俯仰指令PIT、辅助指令AUX1和辅助指令AUX2，所述超声高度为超声波测距模块以超声波测距的方式测量四旋翼飞行器距离地面的高度；

步骤4），数据处理单元通过UART串口输出处理过的传感器数据，所述处理过的传感器数据包含以下数据：三轴磁强度值、三轴加速度值、三轴角速度值、三轴姿态角、气压高度、GPS信息、6通道遥控数据和超声高度；

步骤5），数据处理单元通过UART串口将处理过的传感器数据传输给姿态控制单元，姿态控制单元利用上述传感器信息通过PID控制方法控制四旋翼飞行器的姿态和位置。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、将传感器信号处理与姿态控制分别放在两个不同的单元中进行，减轻飞控系统主控制器的工作负担，提高了飞控系统的运算速度；

2、可利用的高度信息包括超声波高度、气压高度和GPS高度，当飞行器处于不同高度时，采用上述不同高度传感器的融合信息有利于提高飞行器的飞行品质；

3、设置了数据输出接口，使得该控制器既可以用作四旋翼飞行控制器，又可以用作航姿传感器模块为其他应用系统提供必要的传感器信息；

4、采用R5F100LEA作为飞控系统的主控芯片，省去大量底层驱动程序的编写工作，减小飞控软件开发难度。

附图说明

图1是本发明的硬件结构框图；

图2是本发明中数据处理单元的电气连接示意图；

图3是本发明中姿态控制单元的电气连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1、图2和图3所示，本发明公开了一种基于瑞萨R5F100LEA主控的四旋翼飞行控制器，包括数据处理单元、姿态控制单元、电子罗盘、六轴姿态传感器、气压计、GPS单元接口、超声波测距模块接口、遥控器接收机接口、GPS接收模块、遥控器接收机、超声波测距模块、数据输出接口、飞控状态指示灯、独立按键、数据存储器、无线通信模块接口、电机控制信号接口、无线通信模块和电机控制模块；

所述数据处理单元分别和电子罗盘、六轴姿态传感器、气压计、数据输出接口连接；所述GPS接收模块通过GPS接收模块接口与数据处理单元连接；所述超声波测距模块通过超声波测距模块接口与数据处理单元连接；所述遥控器接收机通过遥控器接收机接口与数据处理单元连接；

所述姿态控制单元分别与数据存储器、飞控状态指示灯、独立按键连接；所述无线通信模块通过无线通信模块接口与姿态控制单元连接；所述电机控制模块通过电机控制信号接口与控制单元连接；

所述数据处理单元通过UART串口与所述姿态控制单元连接；

所述GPS接收模块用于接收GPS卫星数据，并将接收到的数据传递给所述数据处理单元；

所述超声波测距模块用于以超声波测距的方式测量四旋翼飞行器距离地面的高度；

所述数据输出接口用于将数据处理单元处理后的数据对外输出；

所述飞控状态指示灯用于显示四旋翼飞行器的飞行模式，所述飞行模式包括手动模式、定高模式、定点模式、自主飞行模式；

所述独立按键用于在四旋翼飞行器起飞之前设置飞行模式；

所述数据存储器用于存储姿态控制单元需要用到的PID控制参数；

所述姿态控制单元的芯片型号为R5F100LEA。

数据处理单元：该飞行控制器采用STM32F103C8T6芯片作为数据处理单元，STM32F103C8T6是由STMicroelectronics公司生产的32位Cortex-M3内核处理器，共有48引脚，最高工作频率为72MHz。该芯片拥有36路数字输入/输出接口、4个16位定时器、3个UART通信接口，封装方式为LQFP48。对于本发明所述的航姿传感器模块，STM32F103C8T6具有足够的资源和性能。

姿态控制单元：选用瑞萨科技公司生产的R5F100LEA作为姿态控制单元。该芯片共有64个引脚，Flash存储器大小为64Kb，具有8个IIC控制器、8个SPI控制器、4个UART通信接口。该芯片配合瑞萨科技公司开发的CubeSuite程序编译及烧录软件使用起来非常方便，可以免去大量的底层驱动程序的编写。

电子罗盘：选用美国Honeywell公司生产的HMC5883L电子罗盘，其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。能使罗盘精度控制在1°到2°的12位模数转换器，带有16个引脚，接口为简易的IIC系列总线，尺寸为3.0×3.0×0.9mm。具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点，是灵敏度最高和可靠性最好的传感器。

六轴姿态传感器：选用美国Invensense公司生产的MPU-6050六轴姿态传感器，其整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，为全球首例整合性6轴运动处理组件。MPU-6050以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据。相较于多组件方案，MPU-6050免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间，具有低功耗、低成本、高性能的特点。角速度的感测范围为±250º、±500º、±1000º与±2000º/sec(dsp)，可准确追踪快速与慢速动作；同时可编程的加速计的感测范围为±2g、±4g、±8g与±16g。传感器的测量数据最终可通过最高400kHz的IIC总线输出。

数字气压计：采用德国博世公司生产的BMP180芯片，BMP180是一款低成本、高精度、小体积、超低能耗的气压传感器。可测量的高度范围为海拔-500m~9000m，高线性模式下测量精度为0.25m。尺寸为3.6mm×3.8×0.93mm，电源电压为1.8V~3.6V，含有温度输出。可通过IIC总线直接与数据处理单元相连来输出数据。

超声波测距模块接口：可以兼容低成本的超声波测距模块，比如深圳市捷深科技有限公司生产的型号为HC-SR04的超声波单元。该种类型的超声波单元可提供2cm-400cm非接触式测距功能，测距精度为3mm。该模块通过IO口Trig触发测距，同时Echo引脚变为高电平，收到回波信号后Echo引脚变为低电平，Echo引脚持续的时间即超声波从发射到返回所用的时间，距离=(高电平时间*声速)/2。

GPS接收模块接口：可兼容UBLOXGPS模块，通过数据处理单元STM32F103C8T6的UART串口与GPS接收模块相连，串口波特率9600。

遥控器接收机接口：该接收机接口可以兼容Futaba、天地飞等航模遥控器接收机，通过数据处理单元STM32F103C8T6的定时器捕获功能来读取遥控器接收机输出PWM波的高电平长度，单位为us。该模块最多可读取6通道的遥控器数据。

数据输出接口：该接口通过串口输出传感器数据，串口波特率为115200。并且数据格式兼容匿名提供的开源飞控上位机v4.06版，在上位机上可以显示该模块输出的所有数据。

数据存储器：采用ATMEL公司生产的AT24C08芯片。该芯片具有8个引脚、8KB的存储空间，可通过IIC总线进行读写存储器中的数据。该芯片具有很好的稳定性，支持读写次数一百万次，数据保存时长100年。另外，该芯片操作方便、成本低。

本发明的工作方法如下：

(1)数据处理单元STM32F103C8T6通过IIC总线读取电子罗盘、六轴姿态传感器和气压计的传感器数据，对其进行卡尔曼滤波处理得到三轴磁强度值、三轴加速度值、三轴角速度值和气压高度，然后利用得到三轴磁强度值、三轴加速度值、三轴角速度值通过四元数法解算出四旋翼飞行器的三轴姿态角；

(2)数据处理单元STM32F103C8T6通过UART串口读取GPS接收模块的感应数据(串口波特率9600)，然后解算出四旋翼飞行器的GPS信息，所述GPS信息包含四旋翼飞行器是否被定位、定位卫星的数量、经度、纬度、GPS高度、GPS速度和速度朝向；

(3)数据处理单元STM32F103C8T6通过TIMER管脚读取遥控器接收机通道信号输出管脚和超声波测距模块回波状态Echo管脚的高电平长度，解算出四旋翼飞行器的6通道遥控数据和超声高度，所述6通道遥控数据包含油门指令THR、偏航指令YAW、滚转指令ROL、俯仰指令PIT、辅助指令AUX1和辅助指令AUX2，所述超声高度为超声波测距模块以超声波测距的方式测量四旋翼飞行器距离地面的高度；

(4)数据处理单元STM32F103C8T6通过UART串口输出处理过的各传感器数据(串口波特率默认值为115200)，输出的数据包括：三轴姿态角(俯仰角PIT、滚转角ROL、航向角YAW），三轴加速度值(ACC-X、ACC-Y、ACC-Z)，三轴角速度值(GYR-X、GYR-Y、GYR-Z)，三轴磁强度值(MAG-X、MAG-XY、MAG-Z)，气压高度、超声高度、GPS信息(精度、纬度、定位状态、卫星数量、GPS高度、GPS速度、速度朝向)，6通道遥控数据(油门指令THR、偏航指令YAW、滚转指令ROL、俯仰指令PIT、辅助指令AUX1、辅助指令AUX2)。

（5）数据处理单元STM32F103C8T6通过UART串口输出处理过的各传感器数据(串口波特率默认值为115200)传输给姿态控制单元R5F100LEA，姿态控制单元利用上述传感器信息通过PID控制方法控制四旋翼飞行器的姿态和位置。

外部5V直流电源通过电源接口给整个飞行控制器供电，经稳压芯片AMS1117-3.3转换为3.3V给STM32F103C8T6、R5F100LEA、AT24C08、LED灯及含有3.3V电源的接口供电，3.3V电源再经过MIC3219-3.3BM5芯片稳压和滤波处理给传感器芯片HMC5883L、MPU6050、BMP180供电，同时还可以通过遥控器接收机接口、超声波测距模块接口、GPS单元接口中的5V引脚分别给遥控器接收机、超声波测距模块、GPS单元供电。

该飞行控制器还包括飞控状态指示灯D2-D5和独立按键K1、K2，飞控状态指示灯可以实时显示四旋翼飞行器的状态，独立按键可以用来设置四旋翼飞行器的飞行模式，可以设置为一键起飞模式。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。