CN102945048A

CN102945048A - 多螺旋桨飞行器控制装置

Info

Publication number: CN102945048A
Application number: CN2012104710015A
Authority: CN
Inventors: 刘立阳; 郭昊坤; 冯凯; 应展烽; 万萌; 吴军基
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2013-02-27

Abstract

本发明一种多螺旋桨飞行器控制装置，包括飞行控制模块、电机调速模块、无线通信模块和传感器模块，电机调速模块、无线通信模块和传感器模块分别与飞行控制模块连接，本发明能够实现飞行半径的扩大，能确保在紧急降落情况下飞行器可向地面控制站不间断发送位置信号等信息，便于快速回收设备，并且大量使用低功耗、低重量器件，同时采用协处理器协调工作，可以加强系统可靠性。

Description

多螺旋桨飞行器控制装置

技术领域

本发明属于微小型无人机控制领域，特别是一种多螺旋桨飞行器控制装置。

背景技术

多螺旋桨遥控飞行器是由多个螺旋桨提供动力和升力的飞行装置，由于其机械构造相对简单、成本低廉、具有良好的低空低速特性，安全系数高，可作为无人机平台搭载各类设备等优点越来越受到关注，在各个领域都有广泛的应用空间。但多螺旋桨遥控飞行装置具有不稳定性、非线性、强耦合等特性，给飞行控制带来很大的困难，因此需要进行大量的试验和仿真研究，并采用高精度的传感器和控制算法实现飞行器的实时飞行控制。

申请号为201110002329.8，名称为“四旋翼无人飞行器的飞行控制方法和系统”的中国发明专利描述了四旋翼无人飞行器的控制子模块和系统，从导航、通信、控制、动力等几个方面对飞行控制系统进行设计。但该设计大多基于现有公开信息，各个模块只是简单的罗列和组合，并且该方法仅适用于四旋翼无人机。由于携带大量传感设备，对无人机的载重能力和供电能力要求很高，而设计电源仅为2300mA锂电池，飞行半径和滞空时间非常有限。

申请号为200610134368.2，名称为“小型无人机自主飞行控制系统”的中国发明专利通过机载控制系统进行计算和通信，使小型无人机具有一定自动飞行控制的能力。将自动控制和地面遥感相结合，增强了系统的稳定性。但其无线通信方式为802.11g，即常规的WiFi通信，通信距离很短，大约只有100米左右，大大限制了系统的推广应用。而主控芯片为TI公司的F2812处理器，功耗也较大。由于功耗和通信距离的限制，将无法体现自主飞行控制的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现飞行半径的扩大，能确保在紧急降落情况下飞行器可向地面控制站不间断发送位置信号等信息，便于快速回收设备，并且大量使用低功耗、低重量器件，同时采用协处理器协调工作，可以加强系统可靠性的多螺旋桨飞行器控制装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种多螺旋桨飞行器控制装置，包括飞行控制模块、电机调速模块、无线通信模块和传感器模块，电机调速模块、无线通信模块和传感器模块分别与飞行控制模块连接，其中，飞行控制模块包含主控制芯片和协处理器，主控制芯片和协处理器通过I2C总线连接，电机调速模块包括微处理器、稳压电路和三相驱动桥、微处理器分别与稳压电路和三相驱动桥相连，无线通信模块包括射频芯片和无线模块，传感器模块包括陀螺仪、加速度传感器、高度计、GPS装置以及传感器预留接口；飞行控制模块的主控制芯片分别与无线通信模块的射频芯片和无线模块以及电机调速模块的微处理器相连，飞行控制模块的协处理器分别与传感器模块的陀螺仪、加速度传感器、高度计、GPS装置以及传感器预留接口相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

（1）本发明采用两种通信方式并结合自动控制算法，实现飞行半径的扩大。

（2）本发明同时将系统电源分为动力电源和飞控电源两部分，具备紧急自动降落功能，确保在紧急降落情况下飞行器可向地面控制站不间断发送位置信号等信息，便于快速回收设备。

（3）本发明还将3G通信作为系统的一个辅助数据传输通道，将GPS轨迹点设定到系统中，大量使用低功耗、低重量器件，同时采用协处理器协调工作，加强系统可靠性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

本发明一种多螺旋桨飞行器控制装置，包括飞行控制模块1、电机调速模块2、无线通信模块3和传感器模块4，电机调速模块2、无线通信模块3和传感器模块4分别与飞行控制模块1连接，其中，飞行控制模块1包含主控制芯片和协处理器，主控制芯片和协处理器通过I2C总线连接，电机调速模块2包括微处理器、稳压电路和三相驱动桥、微处理器分别与稳压电路和三相驱动桥相连，无线通信模块3包括射频芯片和无线模块，传感器模块4包括陀螺仪、加速度传感器、高度计、GPS装置以及传感器预留接口；飞行控制模块1的主控制芯片分别与无线通信模块3的射频芯片和无线模块以及电机调速模块2的微处理器相连，飞行控制模块1的协处理器分别与传感器模块4的陀螺仪、加速度传感器、高度计、GPS装置以及传感器预留接口相连。

实施例：

结合图1：一种多螺旋桨飞行器控制装置，包括飞行控制模块1、电机调速模块2、无线通信模块3和传感器模块4，电机调速模块2、无线通信模块3和传感器模块4分别与飞行控制模块1连接。

飞行控制模块1包含主控制芯片MSP430和协处理器STM32F103，主控制芯片MSP430和协处理器STM32F103通过I²C总线连接；主控芯片MSP430负责飞行控制相关的运算，统筹管理硬件资源；协处理器STM32F103采用外设丰富的STM32系列MCU，负责传感器设备的管理与数据采集。

电机调速模块2包括微处理器STM8、1片7805芯片构成稳压电路和6片MOS管组成的三相驱动桥、微处理器STM8分别与稳压电路和三相驱动桥相连；其中，三相驱动桥的“下臂”均由微处理器STM8输出PWM进行控制；同时微处理器STM8还负责反电动势检测和电机电流的检测；微处理器STM8与飞行控制模块1的主控制芯片MSP430连接。

无线通信模块3包括2.4G射频芯片（A7105）和WCDMA 3G无线模块；所述2.4G射频芯片通过SPI接口与主控芯片连接，WCDMA 3G无线模块通过UART接口与主控制芯片MSP430连接。

传感器模块4包括陀螺仪、加速度传感器、高度计、GPS装置以及传感器预留接口；其中，陀螺仪、加速度传感器、高度计、GPS装置以及传感器预留接口分别与飞行控制模块1的协处理器STM32F103连接。

其中，微处理器还可以采用ATmega16微处理器。

飞行控制模块1通过SPI和UART接口与无线通信模块3接驳，同时负责电机调速模块2的控制。协处理器与各类型传感器相连，负责数据的采集与传感设备的管理。主控制芯片与协处理器通过I2C总线连接。

飞行系统的控制信号由无线通信模块3负责，在遥控飞行模式下，主要使用2.4G射频芯片（A7105）与地面遥控站通过进行通信；在混合模式或自动模式下，可以通过WCDMA 3G无线模块与地面站通信，由于3G通信通过电信运营商系统，控制信号存在不同程度的延时，因此飞行控制系统还设计有各种故障模式预案，在无控制信号情况下，可自行降落或返航。

电机调速模块有一个独立的微处理器STM8，负责与飞行主控制芯片进行通信。同时进行反电动势和电机电流检测，通过运算输出PWM信号控制三相驱动桥。

飞行控制模块1是系统的核心，选择低功耗高可靠的MSP430系列芯片作为主控芯片，并选取一个外设丰富的STM32F103芯片作为协处理器，将任务合理分配，增强系统实时性，避免单控制芯片的高逻辑复杂度。

飞行控制需要多种传感器的实时参数，陀螺仪为系统提供姿态参数，加速度传感器可提供加速度参数，高度计向系统反馈飞行高度，GPS装置为飞行提供导航或轨迹飞行服务，同时协处理器STM32F103预留SPI或者I2C接口以便于接入更多的传感器。

控制流程：地面遥控站发送无线控制信号，无线通信模块3接收到信号后将数据传送到飞行控制模块1，主控制芯片MSP430通过计算来自协处理器STM32F103的传感器信息，输出控制信号到电机调速模块2控制电机的转速。飞行器会随着电机转速的改变而改变飞行姿态。协处理器STM32F103不断的接受来自传感器模块4的数据，并对数据进行初步的处理之后将数据发送到主控制芯片MSP430，同时系统开机时协处理器STM32F103还负责传感模块4的初始化。主控制芯片MSP430将飞行状态信息传送给无线控制模块3，无线控制模块3发送飞行姿态信息到地面遥控站。

Claims

1.一种多螺旋桨飞行器控制装置，其特征在于，包括飞行控制模块（1）、电机调速模块（2）、无线通信模块（3）和传感器模块（4），电机调速模块（2）、无线通信模块（3）和传感器模块（4）分别与飞行控制模块（1）连接，其中，飞行控制模块（1）包含主控制芯片和协处理器，主控制芯片和协处理器通过I²C总线连接，电机调速模块（2）包括微处理器、稳压电路和三相驱动桥、微处理器分别与稳压电路和三相驱动桥相连，无线通信模块（3）包括射频芯片和无线模块，传感器模块（4）包括陀螺仪、加速度传感器、高度计、GPS装置以及传感器预留接口；飞行控制模块（1）的主控制芯片分别与无线通信模块（3）的射频芯片和无线模块以及电机调速模块（2）的微处理器相连，飞行控制模块（1）的协处理器分别与传感器模块（4）的陀螺仪、加速度传感器、高度计、GPS装置以及传感器预留接口相连。

2.根据权利要求1所述的一种多螺旋桨飞行器控制装置，其特征在于，所述的三相驱动桥为6片MOS管构成。

3.根据权利要求1所述的一种多螺旋桨飞行器控制装置，其特征在于，所述的稳压电路采用7805芯片。

4.根据权利要求1所述的一种多螺旋桨飞行器控制装置，其特征在于，所述的射频芯片采用频率为2.4G的射频芯片。

5.根据权利要求1所述的一种多螺旋桨飞行器控制装置，其特征在于，所述的微处理器采用STM8或者ATmega16处理器。

6.根据权利要求1所述的一种多螺旋桨飞行器控制装置，其特征在于，所述的主控制芯片采用MSP430芯片。

7.根据权利要求1所述的一种多螺旋桨飞行器控制装置，其特征在于，所述的协处理器采用STM32F103芯片。

8.根据权利要求1所述的一种多螺旋桨飞行器控制装置，其特征在于，所述的射频芯片采用A7105芯片。