CN105652883A - 一种单板模块化高可靠性的无人机自驾仪 - Google Patents

一种单板模块化高可靠性的无人机自驾仪 Download PDF

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王鹏
郭正
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Abstract

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种单板模块化高可靠性的无人机自驾仪，主要包括单块电路板，在单块电路板上集成了双DSP处理器、板载共享内存、Flash存储单元、接收机信号采集单元、板载数据测量单元、位置/姿态/航向测量单元、串口输入输出单元、故障自诊断与复位单元及单板统一供电单元；所述双DSP处理器分别为导航DSP与主控DSP，导航DSP负责各种传感器信息的采集与处理，主控DSP负责系统状态决策与控制律解算，控制舵机、电机等执行机构；所述板载共享内存分别与导航DSP和主控DSP连接；所述Flash存储单元与主控DSP相连；所述故障自诊断与复位单元实时监控DSP状态；所述单板统一供电单元为系统各个单元提供所需电压。

Description

一种单板模块化高可靠性的无人机自驾仪
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种单板模块化高可靠性的无人机自驾仪。
背景技术
目前常见的无人机自动驾驶仪一般是由一个微处理器对输入的各种信息进行处理，完成相关控制律的解算，并将运算处理的结果输出到各外设接口，驱动外设工作，实现无人机自动驾驶的功能。考虑到成本等因素，这些自驾仪采用的处理器一般是51、AVR或STM32等单片机。使用单一处理器，虽然可以减小电路板设计、制造的成本，但是也带来了一系列相关的问题。首先，单一的CPU既要采集处理各类传感器数据，还要实时完成控制律的解算，甚至还要完成载荷设备的控制及相关外设的驱动、通信等功能，容易导致系统不满足飞行器控制的实时性要求；另外，单一的CPU完成多项任务，多个中断函数或者线程非线性地并行工作，容易导致系统出现不稳定的状态，影响系统的可靠性。
另外，现有技术中的很多自驾仪采用单PCB板集成各类传感器的设计方案，包括相关的导航器件等。但是由于导航器件的体积一般较大，同时面向不同的飞行器，导航器件的性能需求也存在较大的差异，因此可能存在经常需要更换导航单元的问题，影响自驾仪系统的适用性。
发明内容
为了解决以上现有技术中的不足，本发明提出了一种单板模块化高可靠性的无人机自驾仪。本发明采用双DSP(Digitalsignalprocessor)处理器架构，导航DSP负责各种传感器信息的采集与处理，主控DSP负责系统状态决策与控制律解算，控制舵机、电机等执行机构；两者分工明确，效率高，互不干扰，简单可靠，严格保证系统的实时性与稳定性。同时通过支持信息无干扰传输与重要参数备份的板载共享内存、支持数据实时在线记录与参数断电保存的Flash存储单元、故障自诊断与复位单元及一体化的单板统一供电单元等功能模块，提高系统的可靠性。
具体技术方案为：
一种单板模块化高可靠性的无人机自驾仪，包括单块电路板，在单块电路板上集成了双DSP处理器、板载共享内存、Flash存储单元、接收机信号采集单元、板载数据测量单元、位置/姿态/航向测量单元、串口输入输出单元、故障自诊断与复位单元、单板统一供电单元；其中所述板载共享内存为双口RAM；
所述双DSP处理器分别为导航DSP、主控DSP；所述板载共享内存分别与导航DSP和主控DSP连接；所述Flash存储单元连接在主控DSP上；所述接收机信号采集单元采集来自地面遥控器的控制指令，并传输至主控DSP；主控DSP自带的PWM输出模块输出标准的PWM信号，经过光耦隔离与放大，用于驱动执行机构，控制无人机飞行；
所述板载数据测量单元包括气压高度传感器、空速采集传感器，温度采集装置、转速采集装置、电压采集装置；所述气压高度传感器通过标准的SPI接口与导航DSP相连；所述空速采集传感器通过运算放大电路后经AD采样芯片转换成数字信号，并通过SPI接口与导航DSP相连，将数字信号传输至导航DSP；所述温度采集装置经由运算放大电路后直接连接到导航DSP的AD数据采集端；所述转速采集装置经由电压转换电路后直接连接到导航DSP的IO口；所述电压采集装置连接无人机的总电源电压，经过电阻进行分压，分压值经由运算放大电路后直接连接到导航DSP自带的AD数据采集端；
所述位置/姿态/航向测量单元包括三轴角速率陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计和GPS接收机；所述位置/姿态/航向测量单元通过串口与导航DSP相连；
所述单板统一供电单元包含多个电压转换芯片，连接各个需要供电的模块；所述故障自诊断与复位单元连接所述双DSP处理器模块。
采用本发明获得的有益效果：
(1)通过采用双DSP处理器架构，实现不同任务的有效分工，降低软件程序的非线性度，提高系统的可靠性；(2)通过采用板载共享内存(双口RAM)的机制来实现数据的交互，并通过DSP内部的DMA方式进行数据的读写，大大降低了两个处理器之间因为数据交换而产生的额外延时及对处理单元的影响，提高系统实时性和稳定性。同时，双口RAM可用于重要参数的备份，保证在处理器断电等意外情况下重启后能及时获得可用的参数；(3)通过板载Flash存储单元，保证数据实时在线记录，同时可用于断电情况下的重要参数保存，提高系统的鲁棒性；(4)通过故障自诊断与复位单元，对系统进行有效监控，提高系统的鲁棒性；(5)通过一体化的单板统一供电单元，简化线路连接，提高可靠性。另外，本发明采用模块化的顶层设计结构，层次分明，可以根据不同的任务需求更换导航模块单元，适用性强。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明实施例结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的整体结构示意图；在单块电路板上集成了功能分解的双DSP处理器、板载共享内存、Flash存储单元、接收机信号采集单元、板载数据测量单元、位置/姿态/航向测量单元、串口输入输出单元、故障自诊断与复位单元、单板统一供电单元；其中所述板载共享内存为双口RAM；板载共享内存支持信息无干扰传输与重要参数备份，Flash存储单元支持数据实时在线记录与参数断电保存。
如图2所示，是本发明实施例结构示意图。双DSP处理器包括导航DSP和主控DSP，导航DSP负责位置/姿态/航向测量单元、板载气压、空速、温度、转速、电压等传感器的数据采集、处理运算，同时把处理的结果发送至板载共享内存；主控DSP负责无人机的姿态控制计算、导航制导控制计算、执行机构控制指令生成、与无线电台的数据通信，以及对导航DSP的工作状态监控。同时，主控DSP自带的PWM输出模块用来生成标准的PWM信号，经过光耦隔离与放大后与舵机直接相连。导航DSP与主控DSP之间的信息传递，通过板载共享内存(双口RAM)实现。本实施例中的导航DSP和主控DSP均选用TI公司的TMS320C28X系列浮点DSP控制器，主频可以达到150MHz，片上集成了Flash、SARAM、BootROM等多种存储单元；
本实施例中的板载共享内存采用双口RAM，通过标准的数据/地址总线与导航DSP和主控DSP通信。导航DSP与主控DSP之间的信息传递，也是通过板载共享内存(双口RAM)实现的；DSP通过外围的DMA(DirectMemoryAccess，存储器直接访问)控制器对双口RAM进行数据读写。同时，共享内存可以用于系统工作过程中重要参数的保存，保证处理器意外重启后能及时获得可用的参数；
所述Flash存储单元主要用于保存飞行设置参数及备用的航路点数据，并通过标准的SPI接口与主控DSP通信；Flash存储单元用于保存飞行设置参数及备用的航路点数据，同时可以用于飞行过程中飞行数据的记录，保证在测控链路出现问题的情况下，有可用的数据用于对飞行过程进行分析。
所述接收机信号采集单元用来采集来自地面遥控器的控制指令，实施例中采用ST公司的STM32F10332位增强型单片机采集遥控器的各个通道的控制指令，并把数据打包处理后转换成标准串口模式，与主控DSP的SCI接口通信；
所述位置/姿态/航向测量单元采用可更换的集成模块，包括三轴加速度计，三轴角速率陀螺，三轴磁力计和GPS接收机，加速度计用来测量无人机的三轴加速度，陀螺用来测量无人机的三轴角速率，磁力计用来测量沿三个方向的磁场强度，GPS接收机用来接收卫星的信号，并解算成无人机的位置、高度、地速、航向信息，测量单元通过串口与导航DSP相连。
气压高度传感器采用静压传感器来测量无人机周围环境的静压值，本发明采用Measurement公司的MS5611数字气压测量芯片，通过标准的SPI接口与导航DSP相连；
空速采集装置采用动压传感器，测量无人机前进方向的气压与静压的差值，本发明采用Honeywell公司的26PC系列微结构压力传感器，经过一定的运算放大电路后，进行AD芯片采集，并通过SPI接口直接与导航DSP通信；
温度采集装置采用铂热电阻，经由运算放大电路后直接连接到导航DSP自带的AD数据采集端；
转速采集装置采用成品的光电码盘，经由电压转换芯片后直接连接到导航DSP的IO口；
电压采集装置直接连接无人机的总电源电压，经过高精度的电阻进行分压，分压值经由运算放大电路后直接连接到导航DSP自带的AD数据采集端；
所述串口输入输出单元包括RS232、RS422等串口形式；RS232主要用来接收发送位置/姿态/航向测量单元的数据信号，云台载荷系统的通信、控制信号，同时实现自驾仪与地面控制站之间的通信；RS232在本实施例中，导航DSP与主控DSP分别有3路串口输入输出通道。导航DSP的串口输入输出主要用于处理位置/姿态/航向测量单元数据，主控DSP的串口输入输出主要用于处理遥控/遥测数据及相机的控制；
所述故障自诊断与复位单元实时监控主控DSP的工作状态，在监测到主控DSP出现非正常状态的情况下，可以通过故障自诊断与复位单元重启主控DSP，提高系统的可靠性；为保证各处理模块稳定可靠的工作，除了在自身的上电复位和看门狗电路之外，特别添加了主控DSP监控导航DSP的心跳信号。一旦发生心跳信号丢失，立即对导航DSP进行系统复位，从而保证飞行控制安全；
一体化的单板统一供电单元按照板载器件的供电需求，对外围的供电电源进行不同范围的电平转换，为板载设备提供不同的工作电压，无需复杂的线路连接，单板统一供电单元为无人机自驾仪提供+5V、+3.3V、+1.9V三档工作电压，分别采用对应的电压转换芯片。同时为了获得更好的电压性能，降低纹波对信号的串扰，模拟电路和数字电路通过磁珠分开单独接地，保证系统的简洁性与可靠性；
应当指出，本发明并不局限于以上特定实施例，本领域技术人员可以在权利要求的保护范围内做出任何变形或改进，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单板模块化高可靠性的无人机自驾仪，其特征在于：包括单块电路板，在单块电路板上集成了双DSP处理器、板载共享内存、Flash存储单元、接收机信号采集单元、板载数据测量单元、位置/姿态/航向测量单元、串口输入输出单元、故障自诊断与复位单元、单板统一供电单元；
所述双DSP处理器分别为导航DSP、主控DSP；所述板载共享内存分别与导航DSP和主控DSP连接；所述Flash存储单元连接在主控DSP上；所述接收机信号采集单元采集来自地面遥控器的控制指令，并传输至主控DSP；主控DSP自带的PWM输出模块输出标准的PWM信号，经过光耦隔离与放大，用于驱动执行机构，控制无人机飞行；
所述板载数据测量单元包括气压高度传感器、空速采集传感器，温度采集装置、转速采集装置、电压采集装置；所述气压高度传感器通过标准的SPI接口与导航DSP相连；所述空速采集传感器通过运算放大电路后经AD采样芯片转换成数字信号，并通过SPI接口与导航DSP相连，将数字信号传输至导航DSP；所述温度采集装置经由运算放大电路后直接连接到导航DSP的AD数据采集端；所述转速采集装置经由电压转换电路后直接连接到导航DSP的IO口；所述电压采集装置连接无人机的总电源电压，经过电阻进行分压，分压值经由运算放大电路后直接连接到导航DSP自带的AD数据采集端；
所述位置/姿态/航向测量单元包括三轴角速率陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计和GPS接收机；所述位置/姿态/航向测量单元通过串口与导航DSP相连。
2.根据权利要求1所述的一种单板模块化高可靠性的无人机自驾仪，其特征在于：所述单板统一供电单元包含多个电压转换芯片，单板统一供电单元分别连接各个需要供电的模块。
3.根据权利要求1所述的一种单板模块化高可靠性的无人机自驾仪，其特征在于：所述板载共享内存为双口RAM。
4.根据权利要求1所述的一种单板模块化高可靠性的无人机自驾仪，其特征在于：所述串口输入输出单元为RS232或RS422串口。
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