[发明专利]基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器

说明书

技术领域

本发明涉及基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器，属于飞行器控制领域。

背景技术

四旋翼飞行器是一种具有四个螺旋桨并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构的飞行器。它可以以多种姿态进行飞行，包括悬停、前飞、倒飞和侧飞等飞行姿态。

目前国内外很多高校和研究团队都致力于四旋翼飞行器的研究。四旋翼飞行器也在诸如军事和民用等多个领域获得了广泛应用。例如民用方面的航拍和图像传输，巡逻监视和目标跟踪，自然灾害发生之后的搜索和救援，高压线、桥梁、水坝和地震后路段的检查等；军事方面的地面战场侦察、获取敌方情报、近距离控制巡逻、监视、电子战、地面通信等。

目前四旋翼飞行器的控制方式主要有：遥控飞行、自主飞行、以及半自主飞行三种方式。自主飞行是指在飞行过程中可以完全脱离人的干预实现飞行，通常采用磁罗盘测量姿态，与角速率陀螺组成姿态角稳定内回路，并采用导航系统进行导航。目前常用的自主飞行控制核心有以下三种：

(1)ATMEL公司的AVR单片机。它是RISC精简指令集的高速8位单片机。以较为常见的ATmega16为例，它的数据吞吐率为1MIPS/MHz，有32个通用工作寄存器，16K字节的系统内可编程Flash，32个可编程的I/O口。但是它的片内资源不足，难以满足高精度大难度的四旋翼飞行器飞行控制需要。

(2)TI公司的TMS320F2812。它是高性能32位单片机。它具有128K*16字节的系统内可编程Flash，56个可编程的I/O口。当然，DSP是专门为运算而生的芯片，TMS320F2812也不例外。但是它的控制性能欠佳，甚至难以满足四旋翼飞行器的平稳控制，且价格昂贵。

(3)ST公司的STM32F103CBT6。它也是一款32位单片机，拥有128K字节的系统内可编程Flash，80个可编程I/O口。它采用ARM Corex-M3内核，运行速度快，可拓展性强，灵活性高。缺点是其程序指令基于C/C++语言结构，编写完成复杂控制功能的程序过程复杂，代码可读性和可修改性都很差。由于四旋翼飞行器是电池供电，该芯片的高功耗也是制约其应用的一个重要因素。另外，价格昂贵也是它的一个缺点。

综上所述，在四旋翼飞行器控制方面，目前常用的控制核心存在着诸如功耗高、片内资源不足、运行速度不快、编程复杂不便编写和修改等多种问题，难以满足高精度高难度的四旋翼飞行器飞行控制。

发明内容

本发明目的是为了解决使用传统控制芯片在四旋翼飞行器控制中存在的内部资源不足、计算速度不快和控制精度不高等问题，提供了一种基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器。

本发明所述基于瑞萨芯片R5F100LEA的四旋翼自主飞行器，它包括四旋翼机体、四个螺旋桨、螺旋桨控制单元和螺旋桨驱动单元；

在四旋翼机体的四个机架末端分别安装一个螺旋桨，四个螺旋桨的结构相同，处于同一高度，相对的两个螺旋桨具有相同的旋转方向，且与另一对螺旋桨的旋转方向相反；

所述螺旋桨控制单元包括中央处理器、姿态模块、光电传感器、超声波传感器和电磁铁；光电传感器、超声波传感器和电磁铁设置在机架下表面；

所述螺旋桨驱动单元包括前端电子调速器、后端电子调速器、左端电子调速器、右端电子调速器、前端螺旋桨电机、后端螺旋桨电机、左端螺旋桨电机和右端螺旋桨电机；

姿态模块的姿态信号输出端与中央处理器的姿态信号输入端相连；

光电传感器的循迹信号输出端与中央处理器的循迹信号输入端相连；

超声波传感器的测距信号输出端与中央处理器的测距信号输入端相连；

中央处理器的拾铁指令输出端与电磁铁的使能端相连；

中央处理器的第一PWM调速控制信号输出端与前端电子调速器的输入端相连；前端电子调速器的输出端与前端螺旋桨电机的调速控制端相连；

中央处理器的第二PWM调速控制信号输出端与后端电子调速器的输入端相连；后端电子调速器的输出端与后端螺旋桨电机的调速控制端相连；

中央处理器的第三PWM调速控制信号输出端与左端电子调速器的输入端相连；左端电子调速器的输出端与左端螺旋桨电机的调速控制端相连；

中央处理器的第四PWM调速控制信号输出端与右端电子调速器的输入端相连；右端电子调速器的输出端与右端螺旋桨电机的调速控制端相连。

本发明的优点：