CN104724295A - 一种无人机载荷通用接口系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机载荷领域，具体涉及一种无人机载荷通用接口系统，所述无人机载荷通用接口系统，提供了一套软硬件规范，可以使各种类型的用户设备与无人机无缝地连接在一起，共享无人机的资源，如飞行数据、通信数据链、能源供给等。与现有技术相比，本发明简化了无人机搭载设备的设计开发，提高了无人机飞行系统的资源使用率和工作效率。同时本发明也极大地增加了载荷设备的信息量，为进一步发展新型功能的载荷设备奠定了坚实的基础。本发明使用工业标准的数据总线接口，降低了载荷设备的开发成本，通过本接口，开发者可以将无人机飞行平台抽象成数据对象，载荷设备可以在不了解无人机飞行平台的细节的基础上，实现无人飞行器的新功能。

Description

一种无人机载荷通用接口系统

技术领域

本发明涉及无人机载荷领域，具体涉及一种无人机载荷通用接口系统。

背景技术

由于无人机成本相对较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等的优势，使得无人机在航空拍照、地质测量、高压输电线路巡视、油田管路检查、高速公路管理、森林防火巡查、毒气勘察、缉毒和应急救援、救护等民用领域应用前景极为广阔。然而，目前国内外的无人飞行器载荷都是相对独立的，无人机搭载某一设备时，有针对该种设备的单独的一套系统，一旦更换设备，系统也要随之更换，很难混用。另外，无人机上搭载的设备，一般都无法与无人机主控制器进行通信，无人机也无法使用通用的接口连接不同的载荷设备

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种无人机载荷通用接口系统，使得一台无人机可以很方便的更换搭载的用户设备，而用户设备也可以很方便的搭载到不同的无人机上。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

本发明提供了一种无人机载荷通用接口系统，包括：无人机主控制器、云台、串行外设总线接口(SPI)装置、用户设备、接口通讯模块，所述无人机主控制器、云台、用户设备通过串行外设总线接口(SPI)装置连接，所述无人机主控制器与所述云台、用户设备之间通过所述接口通讯模块来进行数据的传输和共享；所述无人机主控制器包括七个寄存器，分别是数据接收FIFO寄存器、云台目标状态寄存器、云台实时状态寄存器、机体目标状态寄存器、机体实时状态寄存器、地理位置寄存器、目标地理位置寄存器，供用户设备进行读取或写入。

系统工作时，所述接口通讯模块采用“请求-响应-确认”模式，并采用校验和来验证数据，所述无人机主控制器工作于主机(Master)模式，所述云台与所述用户设备工作于从机(Slave)模式，当无人机主控制器提供一个中断信号输入，用户设备主动通知无人机主控制器来读取数据，所述接口通讯模块的具体包括以下几项通讯规则：

1)用户设备接收数据链数据规则：当无人机主控制器发现数据链中存在需要向用户设备发送的数据时，无人机主控制器首先产生数据读写时钟，然后在MOSI线上写入0x1，用户设备此时进入被动数据状态，无人机主控制器再写入一个16位无符号整数，通知用户设备本次数据的长度，然后无人机主控制器继续写入代发送的数据，最后写入数据校验和，用户设备接收完数据之后，计算校验和，如果校验和相等，用户设备在MISO线上写入0x0，表示数据接收成功，否则写入0x1，表示数据接收失败；

2)用户设备发送数据到数据链规则：当用户要通过数据链发送数据时，首先拉低中断信号线，通知无人机主控制器产生数据读写时钟，无人机主控制器将在MOSI线上写入0x0，用户设备此时进入主动数据状态，用户设备在MISO线上写入0xAA，激活无人机主控制器的数据接收FIFO，然后再写入一个16位无符号整数，告知无人机主控制器要发送的数据长度，然后继续在MISO线上写入待发送的数据；数据发送完成时，用户设备继续写入数据校验和；无人机主控制器接收完所有数据之后，计算校验和，如果校验和相等，无人机主控制器在MOSI线上写入0x0，表示数据接收成功，否则写入0x1，表示数据接收失败；

3)用户设备读取无人机主控制器寄存器规则：当用户要读取无人机主控制器的寄存器时，首先拉低中断信号线，通知无人机主控制器产生数据读写时钟，无人机主控制器将在MOSI线上写入0x0，用户设备此时进入主动数据状态；用户设备在MISO线上写入寄存器的序号，激活无人机主控制器的相应寄存器，无人机主控制器在MOSI线上写入该寄存器的数值；

4)用户设备设置无人机主控制器寄存器规则：当用户要设置无人机主控制器的寄存器时，首先拉低中断信号线，通知无人机主控制器产生数据读写时钟，无人机主控制器将在MOSI线上写入0x0，用户设备此时进入主动数据状态；用户设备将寄存器的序号与0x80进行或操作，并在MISO线上写入操作后的结果，激活无人机主控制器的相应寄存器的写入状态，然后用户设备在MISO线上写入要设置的值；

5)无人机主控制器服务通知规则：用户设备通过设置某些寄存器的值，订阅了无人机主控制器服务通知，无人机主控制器将在达到期望值时通知用户设备，无人机主控制器准备通知用户设备时，首先产生数据读写时钟，然后在MOSI线上写入0x2，再继续写入服务号(寄存器序号)，然后结束数据时钟。

所述无人机主控制器与所述云台、用户设备均遵循接口通讯模块的通讯规则进行数据的传输和共享。

另外，无人机载荷通用接口系统中，无人机主控器的寄存器具体设定为：数据接收FIFO寄存器为只写寄存器，序号为0xAA，写入本寄存器的数据将通过数据链发往控制中心；云台目标状态寄存器为可读写寄存器，序号为0x20，用来读取或者写入云台相对大地坐标系的期望角度，无人机主控制器将在到达期望角度时通知用户设备；云台实时状态寄存器为只读寄存器，序号为0x21，读取云台目前相对大地坐标系的角度；机体目标状态寄存器为可读写寄存器，序号为0x22，读取或者写入无人机体相对大地坐标系的期望角度，无人机主控制器将在到达期望角度时通知用户设备；机体实时状态寄存器为只读寄存器，序号为0x23，读取无人机体目前相对大地坐标系的角度；地理位置寄存器为只读寄存器，序号为0x30，读取无人机体当前的经纬度；目标地理位置寄存器可读写寄存器，序号为0x31，读取或者写入无人机体的目标经纬度，无人机主控制器将在抵达目的地时通知用户设备。

云台可以有多种方案，其中优选的一种方案是：云台包括姿态传感器、模数转换器、微处理器和电机。所述姿态传感器包括：磁罗盘、陀螺仪与加速度传感器，通过磁罗盘、陀螺仪与加速度传感器来获取云台在三个空间自由度的角速度与加速度，然后对传感器数据进行卡尔曼滤波与融和，可计算出云台在大地坐标系中的实时方向向量。根据实时方向与目标方向之间的夹角，可分别驱动三轴无刷电机进行补偿。云台可工作于方向控制模式与增稳模式。

本发明通过云台搭载用户设备，提供一个接连端口连接用户设备。用户设备依照本发明提出的接口通讯模块与无人机进行通信，就能控制无人机的飞行数据与共享无人机数据链。

本发明提出的是一套方法与规范，在具体实现中，根据用户设备的大小和重量，可以设计几款不同性能的云台方案，但它们遵循接口通讯模块的通讯规则，所述接口通讯模块部分是统一的，意味着用户设备可以不必修改就能搭载到不同的无人机上。通过本发明，地面控制中心可以通过无人机的数据链直接与用户设备进行通讯。

无人机的通用载荷接口系统，提供了一套软硬件规范，可以使各种类型的用户设备与无人飞行器无缝地连接在一起，共享无人飞行器的资源，如飞行数据、通信数据链、能源供给等，极大地简化飞行器上搭载的设备的设计和开发，并极大地提高了整个飞行系统的资源使用率，亦即提升了飞行器的工作效率，使得整个系统的资源使用率达到最优。通用无人机载荷通用接口系统极大地增加了载荷设备的信息量，为进一步发展新型功能的载荷设备奠定了坚实的硬件基础。通用无人机载荷通用接口系统使用工业标准的数据总线接口，降低了载荷设备的开发成本，通过本接口，开发者可以将无人机飞行平台抽象成数据对象，载荷设备可以在不了解无人机飞行平台的细节的基础上，实现无人飞行器的新功能。

附图说明

图1：无人机载荷通用接口系统技术框图；

图2：无人机载荷通用接口系统中接口通讯模块的程序流程图；

图3：无人机载荷通用接口系统中主控制器与用户设备接口通讯规则。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明的技术框图，图2为无人机载荷通用接口系统中接口通讯模块的程序流程图；图3为无人机载荷通用接口系统中主控制器与用户设备接口通讯规则。

如图1所示，一种无人机通载荷通用接口系统，包括：无人机主控制器、云台、串行外设总线接口(SPI)装置、用户设备、接口通讯模块，所述无人机主控制器、云台、用户设备通过串行外设总线接口(SPI)装置连接，其中，云台包括姿态传感器、模数转换器、ARM微处理器和三轴无刷电机。姿态传感器包括：磁罗盘、陀螺仪与加速度传感器，通过磁罗盘、陀螺仪与加速度传感器来获取云台在三个空间自由度的角速度与加速度，然后对传感器数据进行卡尔曼滤波与融和，可计算出云台在大地坐标系中的实时方向向量。根据实时方向与目标方向之间的夹角，可分别驱动三轴无刷电机进行补偿。云台可工作于方向控制模式与增稳模式。

上述用户设备包括但不限于：摄像机、激光测距仪、热成像仪、气象仪器、机械手等各种可以搭载在无人机上执行任务的仪器或设备。

无人机主控制器的接口、用户设备的接口、云台的接口采用统一的通讯规则和通讯标准，前述接口均符合接口通讯模块的通讯规则和通讯标准，并按照图2所述的程序流程，图3所示的通讯规则进行通讯，所述无人机主控制器与所述云台、用户设备之间通过所述接口通讯模块来进行数据的传输和共享；所述无人机主控制器包括七个寄存器，分别是数据接收FIFO寄存器、云台目标状态寄存器、云台实时状态寄存器、机体目标状态寄存器、机体实时状态寄存器、地理位置寄存器、目标地理位置寄存器，供用户设备进行读取或写入。所述无人机控制器的7个寄存器具体设置如下表所示：

系统工作时，接口通讯模块采用“请求-响应-确认”模式，并采用校验和来验证数据，所述无人机主控制器工作于主机(Master)模式，所述云台与所述用户设备工作于从机(Slave)模式，当无人机主控制器提供一个中断信号输入，用户设备主动通知无人机主控制器来读取数据，用户设备通过接口通讯模块通讯时可以包括以下几种操作：

1)用户设备接收数据链数据：当无人机主控制器发现数据链中存在需要向用户设备发送的数据时，无人机主控制器首先产生数据读写时钟，然后在MOSI线上写入0x1，用户设备此时进入被动数据状态，无人机主控制器再写入一个16位无符号整数，通知用户设备本次数据的长度，然后无人机主控制器继续写入代发送的数据，最后写入数据校验和，用户设备接收完数据之后，计算校验和，如果校验和相等，用户设备在MISO线上写入0x0，表示数据接收成功，否则写入0x1，表示数据接收失败；

2)用户设备发送数据到数据链：当用户要通过数据链发送数据时，首先拉低中断信号线，通知无人机主控制器产生数据读写时钟，无人机主控制器将在MOSI线上写入0x0，用户设备此时进入主动数据状态，用户设备在MISO线上写入0xAA，激活无人机主控制器的数据接收FIFO，然后再写入一个16位无符号整数，告知无人机主控制器要发送的数据长度，然后继续在MISO线上写入待发送的数据；数据发送完成时，用户设备继续写入数据校验和；无人机主控制器接收完所有数据之后，计算校验和，如果校验和相等，无人机主控制器在MOSI线上写入0x0，表示数据接收成功，否则写入0x1，表示数据接收失败；

3)用户设备读取无人机主控制器寄存器：当用户要读取无人机主控制器的寄存器时，首先拉低中断信号线，通知无人机主控制器产生数据读写时钟，无人机主控制器将在MOSI线上写入0x0，用户设备此时进入主动数据状态；用户设备在MISO线上写入寄存器的序号，激活无人机主控制器的相应寄存器，无人机主控制器在MOSI线上写入该寄存器的数值；

4)用户设备设置无人机主控制器寄存器：当用户要设置无人机主控制器的寄存器时，首先拉低中断信号线，通知无人机主控制器产生数据读写时钟，无人机主控制器将在MOSI线上写入0x0，用户设备此时进入主动数据状态；用户设备将寄存器的序号与0x80进行或操作，并在MISO线上写入操作后的结果，激活无人机主控制器的相应寄存器的写入状态，然后用户设备在MISO线上写入要设置的值；

5)无人机主控制器服务通知：用户设备通过设置某些寄存器的值，订阅了无人机主控制器服务通知，无人机主控制器将在达到期望值时通知用户设备，无人机主控制器准备通知用户设备时，首先产生数据读写时钟，然后在MOSI线上写入0x2，再继续写入服务号(寄存器序号)，然后结束数据时钟。

以无人机通过通用载荷接口(以下简称“接口”)连接智能摄像设备(以下简称“设备”)为例。

智能摄像设备包括一个数字摄像头和一个摄像控制器，智能摄像设备连接与云台连接，智能摄像设备的接口采用接口通讯模块的通讯规则与无人机主控制器通讯，智能摄像设备、无人机主控制器、云台通过串行外设总线接口(SPI)装置连接。

数字摄像头提供两种功能：1，拍摄静态照片，2，拍摄动态影像。在本实例中，设备能够通过无人机通用载荷接口实现以下功能：

1.地面控制中心控制设备拍摄照片，并将照片实时回传给地面控制中心：

A地面控制中心通过数据链将命令发往无人机；

B无人机识别命令之后，通过接口向设备发送0x1(无人机数据)命令，并附加具体命令元语0xf0(代表请求拍摄静态照片)；

C设备通过接口收到命令之后，执行拍照动作；

D在获取照片数据之后，设备拉低接口的用户中断信号线；

E无人机主控制器接收到中断请求后，将通过接口发送0x0命令；

F设备接收到0x0命令后，通过接口发送0xAA命令，并附加命令元语0xf0(代表静态照片数据)然后继续发送照片数据；

G无人机主控接收完成之后，通过数据链将照片数据发往地面控制中心。

2.地面控制中心控制智能摄像设备拍摄动态影像，并将影像实时回传给地面控制中心。

A地面控制中心通过数据链将命令发往无人机；

B无人机识别命令之后，通过接口向设备发送0x0(用户数据)命令，并附加具体命令元语0xf1(代表请求拍摄动态影像)；

C设备通过接口收到命令之后，执行摄像动作；

D每拍摄一帧视频后，设备拉低接口的用户中断信号线；

E无人机主控制器接收到中断请求后，将通过接口发送0x0命令；

F设备接收到0x0命令后，通过接口发送0xAA命令，并附加命令元语0xf1(代表动态视频数据)然后继续发送视频数据；

G无人机主控接收完成之后，通过数据链将照片数据发往地面控制中心；

H重复D。

3.当无人机飞行到特定经纬度时，智能摄像设备开始拍摄，并将拍摄的数据实时回传给地面控制中心：

A设备拉低接口的用户中断信号线；

B无人机主控制器接收到中断请求后，将通过接口发送0x0命令；

C设备接收到0x0命令后，通过接口发送0xB1命令(代表写入目标地理位置寄存器，0x80|0x31)，然后发送目标经纬度数据；

D无人机主控接收完成之后，改变航向往目标位置飞去；

E当无人机到达目标地理位置时，通过接口向设备发送0x2(服务通知)命令，并附加寄存器序号0x31；

F设备接收到服务通知后，执行摄像或摄影动作，并依照上文1、2示例将数据发往控制中心。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的几种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种无人机载荷通用接口系统，其特征在于包括：无人机主控制器、云台、串行外设总线接口(SPI)装置、用户设备、接口通讯模块，所述无人机主控制器、云台、用户设备通过串行外设总线接口(SPI)装置连接，所述无人机主控制器与所述云台、用户设备之间通过所述接口通讯模块来进行数据的传输和共享；所述无人机主控制器包括七个寄存器，分别是数据接收FIFO寄存器、云台目标状态寄存器、云台实时状态寄存器、机体目标状态寄存器、机体实时状态寄存器、地理位置寄存器、目标地理位置寄存器，供用户设备进行读取或写入；

所述无人机主控制器工作于主机(Master)模式，所述云台与所述用户设备工作于从机(Slave)模式，系统工作时，所述接口通讯模块采用“请求-响应-确认”模式，并采用校验和来验证数据，当无人机主控制器提供一个中断信号输入，用户设备主动通知无人机主控制器来读取数据，所述接口通讯模块具体包括以下几项通讯规则：

1)用户设备接收数据链数据规则：当无人机主控制器发现数据链中存在需要向用户设备发送的数据时，无人机主控制器首先产生数据读写时钟，然后在MOSI线上写入0x1，用户设备此时进入被动数据状态，无人机主控制器再写入一个16位无符号整数，通知用户设备本次数据的长度，然后无人机主控制器继续写入代发送的数据，最后写入数据校验和，用户设备接收完数据之后，计算校验和，如果校验和相等，用户设备在MISO线上写入0x0，表示数据接收成功，否则写入0x1，表示数据接收失败；

2)用户设备发送数据到数据链规则：当用户要通过数据链发送数据时，首先拉低中断信号线，通知无人机主控制器产生数据读写时钟，无人机主控制器将在MOSI线上写入0x0，用户设备此时进入主动数据状态，用户设备在MISO线上写入0xAA，激活无人机主控制器的数据接收FIFO，然后再写入一个16位无符号整数，告知无人机主控制器要发送的数据长度，然后继续在MISO线上写入待发送的数据；数据发送完成时，用户设备继续写入数据校验和；无人机主控制器接收完所有数据之后，计算校验和，如果校验和相等，无人机主控制器在MOSI线上写入0x0，表示数据接收成功，否则写入0x1，表示数据接收失败；

3)用户设备读取无人机主控制器寄存器规则：当用户要读取无人机主控制器的寄存器时，首先拉低中断信号线，通知无人机主控制器产生数据读写时钟，无人机主控制器将在MOSI线上写入0x0，用户设备此时进入主动数据状态；用户设备在MISO线上写入寄存器的序号，激活无人机主控制器的相应寄存器，无人机主控制器在MOSI线上写入该寄存器的数值；

4)用户设备设置无人机主控制器寄存器规则：当用户要设置无人机主控制器的寄存器时，首先拉低中断信号线，通知无人机主控制器产生数据读写时钟，无人机主控制器将在MOSI线上写入0x0，用户设备此时进入主动数据状态；用户设备将寄存器的序号与0x80进行或操作，并在MISO线上写入操作后的结果，激活无人机主控制器的相应寄存器的写入状态，然后用户设备在MISO线上写入要设置的值；

5)无人机主控制器服务通知规则：用户设备通过设置某些寄存器的值，订阅了无人机主控制器服务通知，无人机主控制器将在达到期望值时通知用户设备，无人机主控制器准备通知用户设备时，首先产生数据读写时钟，然后在MOSI线上写入0x2，再继续写入服务号(寄存器序号)，然后结束数据时钟。

2.根据权利要求1所述的一种无人机载荷通用接口系统，其特征在于所述寄存器具体设定为：数据接收FIFO寄存器为只写寄存器，写入本寄存器的数据将通过数据链发往控制中心；云台目标状态寄存器为可读写寄存器，用来读取或者写入云台相对大地坐标系的期望角度，无人机主控制器将在到达期望角度时通知用户设备；云台实时状态寄存器为只读寄存器，读取云台目前相对大地坐标系的角度；机体目标状态寄存器为可读写寄存器，读取或者写入无人机体相对大地坐标系的期望角度，无人机主控制器将在到达期望角度时通知用户设备；机体实时状态寄存器为只读寄存器，读取无人机体目前相对大地坐标系的角度；地理位置寄存器为只读寄存器，读取无人机体当前的经纬度；目标地理位置寄存器可读写寄存器，读取或者写入无人机体的目标经纬度，无人机主控制器将在抵达目的地时通知用户设备。

3.根据权利要求1所述的一种无人机载荷通用接口系统，其特征在于：所述云台包括姿态传感器、模数转换器、微处理器和电机。

4.根据权利要求3所述的一种无人机载荷通用接口系统，其特征在于：所述姿态传感器包括：磁罗盘、陀螺仪与加速度传感器。

5.根据权利要求3所述的一种无人机载荷通用接口系统，其特征在于：所述电机为三轴电机。

6.根据权利要求3、4、5所述的一种无人机载荷通用接口系统，其特征在于：所述云台可工作于方向控制模式与增稳模式。