[发明专利]一种基于手机控制的水下直升机及控制方法

权利要求书

1.一种基于手机控制的水下直升机，其特征在于：包括电源模块电路、控制模块电路、通信模块电路、电机驱动模块与检测模块电路；

电源模块电路为控制模块电路、通信模块电路和电机驱动模块与检测模块电路供电，通信模块电路的输出端与控制模块电路的输入端相连接，控制模块电路的输出端与电机驱动模块与检测模块电路的输入端相连接；

电源模块电路包括12V转换为5V电路和5V转换为3.3V电路；

其中12V转换为5V电路包括第一电源管理芯片U3、第五滤波电容C5的、第六滤波电容C6、第七滤波电容C7、第八滤波电容C8、一个按钮开关；电源管理芯片U3型号为AM1117，+5V；

第一电源管理芯片U3的1脚、与第五滤波电容C5的负极、第七滤波电容C7的负极、第六滤波电容C6的一端、第八滤波电容C8的一端连接并联电源地；第一电源管理芯片3脚、第六滤波电容C6的另一端、第五滤波电容C5的正极通过按钮开关接+12V；第一电源管理芯片的2脚与第七滤波电容C7的正极、第八滤波电容C8的另一端相连并作为+5V直流电源；

5V电压转换为3.3V电路包括第二电源管理芯片U2、第一滤波电容C1的、第二滤波电容C2、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4、一个熔断丝F1；所述的第二电源管理芯片型号为AM1117，+3.3V；

第二电源管理芯片U2的1脚、第一滤波电容C1的负极、第三滤波电容C3的负极和、第二滤波电容C2的一端、第四滤波电容C4的一端均与电源地连接；第二电源管理芯片U2的3脚与第二滤波电容C2的一端、第一滤波电容C1的正极、熔断丝F1的一端，熔断丝F1的另一端与+5V直流电源输出端连接；第二电源管理芯片U2的2脚与第三滤波电容C3的正极、第四滤波电容C4的另一端相连，并作为输出直流电源3.3V；

控制模块电路包括单片机控制芯片U1、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第三十电阻R30、第三十一电阻R31、第二十九滤波电容C29、第三十滤波电容C30、第三十一滤波电容C31、第三十二滤波电容C32、第三十三滤波电容C33、第一开关按键S1、第一晶振Y1、第二晶振Y2、电池BAT1、2x3排针BOOT；

单片机控制芯片U1的25脚与第三十三滤波电容C33的一端、第十六电阻R16的一端、第一开关按键S1的一端相连；第十六电阻R16的另一端与+3.3V相连，第三十三滤波电容C33的另一端第一开关按键S1的一端连接并联电源地；单片机控制芯片U1的23脚与第二晶振Y2的一端、第十三电阻R13的一端、第三十一滤波电容C31的一端相连；单片机控制芯片U1的24脚与第十三电阻R13的另一端、第二晶振Y2的另一端、第三十二滤波电容C32的一端相连；第三十一滤波电容C31另一端、第三十二滤波电容C32的另一端都与电源地相连；

单片机控制芯片U1的6脚与第十四电阻R14的一端、第十五电阻R15的一端相连接；第十四电阻R14的另一端接+3.3V，第十五电阻R15的另一端接电池正极，电池负极接地；单片机控制芯片U1的8脚与第十一电阻R11的一端相连，第一晶振Y1的一端与第十一电阻R11的另一端、第二十九滤波电容C29的一端相连；单片机控制芯片U1的9脚与第十二电阻R12的一端相连，第二晶振Y2的另一端与第三十滤波电容C30的一端相连；第三十滤波电容C30、第二十九滤波电容C29的另一端都与电源地相连；

单片机控制芯片U1的48脚通过第三十电阻R30与2x3排针BOOT1管脚3相连，单片机控制芯片U1的138脚通过第三十一电阻R31与2x3排针BOOT管脚4相连，2x3排针BOOT1管脚1、2都接+3.3V，2x3排针BOOT管脚5、6都接地；

单片机控制芯片U1的16脚、38脚、51脚、61脚、71脚、83脚、94脚、107脚、120脚、130脚和143脚接地；单片机控制芯片U1的17脚、52脚、39脚、62脚、72脚、84脚、95脚、108脚、121脚、131脚和144脚接+3.3V；单片机控制芯片U1在文中未提到的管脚置空；

所述的单片机控制芯片U1是整个控制驱动模块的核心控制芯片，是基于32位的ARM Cortex-M3处理器STM32F103ZET6；

通信模块电路包括第一通讯控制芯片U4、第二通讯控制芯片U5、第二电阻R2、第三电阻R3、第二十三电容C23、第二十四电容C24、第一三脚接线端子H1、第二三脚接线端子H2；第一通讯控制芯片U4、第二通讯控制芯片U5的型号为MAX485；

第一通讯控制芯片U4的1脚与单片机控制芯片U1的101脚相连接，4脚与单片机控制芯片U1的102脚相连接，第一通讯控制芯片U4的2脚、3脚都与+3.3V相连，第一通讯控制芯片U4的8脚与第二十三电容C23的一端连接并接+3.3V电源、第二十三电容C23的另一端与电源地相连，第一通讯控制芯片U4的5脚接地，第一通讯控制芯片U4的6脚与第一三脚接线端子H1的1脚相连、第二电阻R2的一端相连，第一通讯控制芯片U4的7脚与第一三脚接线端子H1的3脚、第二电阻R2的另一端相连，第一三脚接线端子H1的2脚接地；

第二通讯控制芯片U5的1脚与单片机控制芯片U1的36脚相连接，4脚与单片机控制芯片U1的37脚相连接，第二通讯控制芯片U5的2脚、3脚都与电源地相连，第二通讯控制芯片U5的8脚与第二十四电容C24的一端连接并接+3.3V电源、第二十四电容C24的另一端与电源地相连，第二通讯控制芯片U5的5脚接地，第二通讯控制芯片U5的6脚与第二三脚接线端子H2的1脚相连、第三电阻R3的一端相连，第二通讯控制芯片U5的7脚与第二三脚接线端子H2的3脚、第三电阻R3的另一端相连，第二三脚接线端子H1的2脚接地；

电机驱动芯片使用型号为IBT-2的电机驱动模块，系统通过输入PWM波和使能控制信号，控制电机调速和正反转,包括第一电机驱动模块M1，第二电机驱动模块M2，第三电机驱动模块M3，第四电机驱动模块M4，第五电机驱动模块M5，第六电机驱动模块M6；

第一电机驱动模块M1的1脚、第一电机驱动模块M1的2脚与单片机控制芯片U1的42脚相连，第一电机驱动模块M1的3脚与单片机控制芯片U1的1脚相连，第一电机驱动模块M1的4脚与单片机控制芯片U1的2脚相连；第一电机驱动模块M1的7脚与电源+5V相连，第一电机驱动模块M1的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空；

第二电机驱动模块M2的1脚、第一电机驱动模块M2的2脚与单片机控制芯片U1的43脚相连，第二电机驱动模块M2的3脚与单片机控制芯片U1的1脚相连，第二电机驱动模块M2的4脚与单片机控制芯片U1的2脚相连；第二电机驱动模块M2的7脚与电源+5V相连，第二电机驱动模块M2的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空；

第三电机驱动模块M3的1脚、第三电机驱动模块M3的2脚与单片机控制芯片U1的136脚相连，第三电机驱动模块M3的3脚与单片机控制芯片U1的3脚相连，第三电机驱动模块M3的4脚与单片机控制芯片U1的4脚相连；第三电机驱动模块M3的7脚与电源+5V相连，第三电机驱动模块M3的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空；

第四电机驱动模块M4的1脚、第四电机驱动模块M4的2脚与单片机控制芯片U1的137脚相连，第四电机驱动模块M4的3脚与单片机控制芯片U1的5脚相连，第四电机驱动模块M4的4脚与单片机控制芯片U1的58脚相连；第四电机驱动模块M4的7脚与电源+5V相连，第四电机驱动模块M4的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空；

第五电机驱动模块M5的1脚、第五电机驱动模块M5的2脚与单片机控制芯片U1的139脚相连，第五电机驱动模块M5的3脚与单片机控制芯片U1的3脚相连，第五电机驱动模块M5的4脚与单片机控制芯片U1的4脚相连；第五电机驱动模块M5的7脚与电源+5V相连，第五电机驱动模块M5的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空；

第六电机驱动模块M6的1脚和第六电机驱动模块M6的2脚与单片机控制芯片U1的140脚相连，第六电机驱动模块M6的3脚与单片机控制芯片U1的5脚相连，第六电机驱动模块M6的4脚与单片机控制芯片U1的58脚相连；第六电机驱动模块M6的7脚与电源+5V相连，第六电机驱动模块M6的8脚与电源地相连；剩余脚全部悬空；

检测模块电路包括姿态传感器模块MPU6050、深度传感器液位变送器、磁力计HMC5883l、接线端子H2；其中姿态传感器模块MPU6050的SDA接单片机控制芯片U1的70脚，SCL脚接单片机控制芯片U1的69脚，VCC脚接+3.3V，GND脚接地，姿态传感器模块的剩余引脚架空；磁力计HMC5883l的1脚接+3.3V，2脚接地，3脚接单片机控制芯片U1的114脚，4脚接单片机控制芯片U1的115脚，5脚架空；接线端子H2的1脚接24V，2脚与单片机控制芯片U1的41脚、第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端接地；其中接线端子H-2与液位变送器相连；控制驱动模块通过通信模块接收来自检测模块的姿态和深度信息，再通过通信模块将水下直升机的姿态和深度信息发送给手机显示，用于显示水下直升机的信息；同时控制驱动模块接收来自通信模块中参数设定单元输入设定的的姿态和深度信息，并将该信息与检测模块的姿态和深度信息做比较，并采用单闭环PID控制算法，计算出当前的电机驱动量后调节电机转速，最终实现水下直升机的水下悬停和五个自由度的定深行走；

通信模块中的参数设定单元输入设定的的姿态和深度信息，控制驱动模块将输入的目标姿态和深度信息发送给控制驱动模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据设定的的姿态和深度信息和当前姿态和深度信息计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波和电机的正反转驱动电机控制电机转速。

2.根据权利要求1所述的一种基于手机控制的水下直升机的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1.对检测模块、控制模块、电机驱动模块和通信模块进行初始化；

步骤2.手机上位机通信模块中的参数设定单元输入设定的的姿态和深度信息，通信模块将输入的目标姿态和深度信息发送给控制模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据水下直升机的目标姿态和深度和当前姿态和深度计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动电机驱动模块控制电机转速；

其中MCU控制电路具体工作如下：

打开MCU控制电路中的MCU的定时器和中断，输出设定的PWM波，通过电机驱动模块电路驱动电机，使水下直升机运动；同时检测模块开始测量水下直升机的姿态和深度，通过互补滤波姿态解算，将实时数据传送给MCU控制电路；同时MCU控制电路通过通信模块读取手机通信模块发送的水下直升机目标姿态和深度信息，并对水下直升机目标姿态和深度信息与其当前目标姿态和深度进行比较，使用模糊PID算法对水下直升机进行稳定控制；MCU控制电路根据实时检测模块发送的水下直升机的目标姿态和深度信息，并根据收到的水下直升机目标姿态和深度信息随时更改模糊PID控制算法数据和控制水下直升机的运动；

步骤3.检测模块时刻检测水下直升机的姿态和深度信息，并将水下直升机的姿态和深度信息发送给控制模块，控制模块再通过通信模块电路将水下直升机的姿态和深度信息发送给手机通信模块；手机通信模块中的角度显示单元显示水下直升机的姿态和深度信息；并通过手机蓝牙软件进行姿态调整和定深。