CN105589467A - 一种低成本扩展航姿传感器模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本扩展航姿传感器模块，包括数据处理单元、电子罗盘、六轴姿态传感器、气压计和数据输出接口，所述电子罗盘、六轴姿态传感器、气压计和数据输出接口分别与数据处理单元连接；该模块还包括GPS单元接口、超声波测距单元接口和遥控器接收机接口，以及与上述接口分别一一对应的GPS单元、超声波测距单元和遥控器接收机。本发明的航姿传感器模块，在传统的航姿传感器模块基础上进行扩展，使其能够输出飞控主控制器所需要的传感器信息，减轻飞控主控制器的计算量，该模块可以基本满足遥控多旋翼直升机及固定翼飞行器所需要的传感器数据，并且尺寸小、安装方便，对于飞控系统的开发具有很好的实用价值。

Description

一种低成本扩展航姿传感器模块
技术领域
本发明涉及一种低成本扩展航姿传感器模块，特别涉及一种应用于遥控多旋翼直升机、固定翼飞行器的航姿传感器模块，属于航姿传感器技术领域。
背景技术
多旋翼无人直升机是一种结构简单、易于操控、可垂直起降、悬停状态稳定的无人飞行器。多旋翼无人直升机根据支臂数不同大致可以分为：三轴、四轴、六轴及八轴，除三轴结构以外，其他结构每个支臂可以采用单层旋翼布局或双层旋翼布局。多旋翼飞行器不同的支臂数和旋翼数量，可以实现不同的负载能力。多旋翼无人直升机有极高的可控性、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。固定翼无人机相对于多旋翼无人机飞行速度快，飞行距离远，但是灵活性没有多旋翼直升机好。在军事和民用领域这两种类型的无人机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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种低成本扩展航姿传感器模块，在传统的航姿传感器模块基础上进行扩展，使其能够输出飞控主控制器所需要的传感器信息，减轻飞控主控制器的计算量。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种低成本扩展航姿传感器模块，包括数据处理单元、电子罗盘、六轴姿态传感器、气压计和数据输出接口，所述电子罗盘、六轴姿态传感器、气压计和数据输出接口分别与数据处理单元连接；该模块还包括GPS单元接口、超声波测距单元接口和遥控器接收机接口，以及与上述接口分别一一对应的GPS单元、超声波测距单元和遥控器接收机，所述GPS单元通过GPS单元接口与数据处理单元连接，超声波测距单元通过超声波测距单元接口与数据处理单元连接，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。
作为本发明的一个优选方案，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。
作为本发明的一个优选方案，所述数据处理单元采用的芯片型号为STM32F103C8T6。
作为本发明的一个优选方案，所述电子罗盘采用的芯片型号为HMC5883L。
作为本发明的一个优选方案，所述六轴姿态传感器采用的芯片型号为MPU6050。
作为本发明的一个优选方案，所述气压计采用的芯片型号为BMP180。
作为本发明的一个优选方案，所述数据输出接口的串口波特率值为115200。
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、本发明低成本扩展航姿传感器模块，可以同时输出飞控主控制器所需要的多种传感器数据，减轻飞控系统主控制器的工作负担，简化飞控系统的设计。
2、本发明低成本扩展航姿传感器模块，既可以输出气压高度数据又可以输出超声波高度数据，飞行器在飞行高度小于4米的低空飞行时，使用超声波高度有利于提高飞行品质。
3、本发明低成本扩展航姿传感器模块，测得的数据经处理后输出，提高了模块的抗干扰性。
附图说明
图1是本发明低成本扩展航姿传感器模块的硬件结构框图。
图2是本发明低成本扩展航姿传感器模块的原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1、图2所示，一种低成本扩展航姿传感器模块主要包含数据处理单元、电子罗盘、六轴姿态传感器、气压计、GPS单元接口及与之对应的GPS单元、遥控器接收机接口及与之对应的遥控器接收机、超声波测距单元接口及与之对应的超声波测距单元、数据输出接口。
其中，电子罗盘、六轴姿态传感器和气压计通过IIC总线与数据处理单元相连；GPS单元和数据输出接口通过数据处理单元的UART管脚与其相连；遥控器接收机和超声波测距单元通过数据处理单元的TIMER管脚与其相连。具体的芯片选择及模块接口功能描述如下。
数据处理单元：该航姿传感器模块采用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。
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。
超声波测距单元接口：可以兼容低成本的超声波测距单元，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单元接口：可兼容UBLOXGPS模块，通过数据处理单元STM32F103C8T6的串口与GPS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。
(1)数据处理单元STM32F103C8T6通过IIC总线读取电子罗盘芯片、六轴姿态传感器芯片和气压计芯片的传感器数据，并进行卡尔曼滤波处理，然后利用四元数法解算出俯仰角、滚转角和偏航角，以及气压高度。
(2)数据处理单元STM32F103C8T6通过UART串口读取GPS单元数据(串口波特率9600)，并解算出定位状态、卫星数量、经纬度、GPS高度、GPS速度和速度朝向信息。
(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单元回波状态Echo管脚的高电平长度。其中读取到的遥控器接收机数据的高电平长度直接作为遥控器的控制量；读取到的超声波测距单元Echo管脚高电平长度经过公式“距离=(高电平时间*声速)/2”计算出超声波高度。
(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)。
一种低成本扩展航姿传感器模块，通过以下接口：电源接口P6、遥控器接收机接口P1、超声波测距单元接口P3、GPS单元接口P2，将外部电源、遥控器接收机、超声波测距单元、GPS单元与数据处理单元连接起来，数据输出接口为P4。
外部5V直流电源通过电源接口给整个航姿传感器模块供电，经稳压芯片AMS1117-3.3转换为3.3V给STM32F103C8T6、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、超声波测距单元接口、GPS单元接口中的5V引脚分别给遥控器接收机、超声波测距单元、GPS单元供电。
该航姿传感器模块还包括电源指示灯D1和模块状态指示灯D2，上电后电源指示灯D1常亮，航姿传感器模块运行正常时模块状态指示灯D2闪烁，运行不正常时常亮或者不亮。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低成本扩展航姿传感器模块，包括数据处理单元、电子罗盘、六轴姿态传感器、气压计和数据输出接口，所述电子罗盘、六轴姿态传感器、气压计和数据输出接口分别与数据处理单元连接；其特征在于，该模块还包括GPS单元接口、超声波测距单元接口和遥控器接收机接口，以及与上述接口分别一一对应的GPS单元、超声波测距单元和遥控器接收机，所述GPS单元通过GPS单元接口与数据处理单元连接，超声波测距单元通过超声波测距单元接口与数据处理单元连接，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。
2.如权利要求1所述低成本扩展航姿传感器模块，其特征在于，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。
3.如权利要求1所述低成本扩展航姿传感器模块，其特征在于，所述数据处理单元采用的芯片型号为STM32F103C8T6。
4.如权利要求1所述低成本扩展航姿传感器模块，其特征在于，所述电子罗盘采用的芯片型号为HMC5883L。
5.如权利要求1所述低成本扩展航姿传感器模块，其特征在于，所述六轴姿态传感器采用的芯片型号为MPU6050。
6.如权利要求1所述低成本扩展航姿传感器模块，其特征在于，所述气压计采用的芯片型号为BMP180。
7.如权利要求1所述低成本扩展航姿传感器模块，其特征在于，所述数据输出接口的串口波特率值为115200。
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