CN105739515B - 一种无人机飞行控制器模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人机飞行控制器模块，包括用于支撑整个传感器单元的减振框架，减振框架底部设置有主控制电路板；主控制电路板四周设置有半孔引脚，用于和外部系统连接；减振框架内部设置有传感器单元，传感器单元包括传感器电路板、配重钢块和橡皮筋，配重钢块设置在减振框架内侧的中心位置，传感器电路板设置在配重钢块的侧面，传感器电路板上集成了传感器单元，橡皮筋连接在传感器单元和减振框架的顶角上，整个传感器单元处于减振框架内部中心位置。本发明模块本身是一个完整的飞控系统，独特的减振方式、灵活的接口以及先进的控制算法，使其不仅具备商品飞控的性能，还具备开源飞控的灵活性。

Description

一种无人机飞行控制器模块

技术领域

本发明涉及一种无人机飞行控制器模块，属于无人机设计及控制技术领域。

背景技术

无人机的飞行控制涉及到众多学科的专业技术知识，因此研发一款实用的无人机飞行控制器（以后简称飞控）并非易事。目前市面上主要存在两种类型的飞控，一是开源飞控，另一种就是商业化飞控。典型的开源飞控有APM、Pixhawk等。对于这些开源飞控，虽然可以自由更改，扩展性也很强，但其主要问题就是系统庞大，不够稳定。由于开源飞控的目的在于让使用者自由开发，因此其侧重点在于试验开发而非精简稳定。而且无人机在飞行时存在极强的高频振动，这会严重影响飞控中惯性传感器的性能，甚至导致系统失效。而开源飞控并没有明确对其惯性传感器进行减振处理，这也是其性能不够稳定的原因之一。相比开源飞控，商业化飞控则侧重于精简稳定。由于飞控技术的专业性和复杂性，目前市面上仅有少数几家公司开发出了商业化的无人机飞控，比如大疆创新和零度智控等。他们的飞控在减振处理和控制算法上均做得很不错，飞控性能稳定，操控也很方便。但这些飞控均存在一个普遍的问题，就是自成体系，难以更改，嵌入性和扩展性不强，而且成本都比较高。对于很多自主研发无人机的用户来说，虽然使用现有飞控可以大大缩短研发周期，但这些商品飞控均是独立系统，接接口死板，无法直接嵌入到自己的系统当中。即便使用这些商品飞控，即不能方便地开发自己需要的功能，还被贴上了飞控公司的标签，暴露自身技术实力的不足。

针对以上现状，该发明为用户提供一个功能全面、性能稳定、接口灵活、成本低廉、体积小巧的飞行控制器模块（简称FCM）。该FCM本身是一个完整的飞控系统，独特的减振方式、灵活的接口以及先进的控制算法，使其不仅具备商品飞控的性能，还具备开源飞控的灵活性。小巧的体积使得用户可以像普通芯片一样直接嵌入到自己的无人机系统当中，既可以极大的缩短用户开发无人机的周期，也能让用户摆脱飞控商标的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机飞行控制器模块，以便缩短用户的研发时间，降低用户的研发成本。以便更好地改善使用效果，方便根据需要安装使用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种无人机飞行控制器模块，包括用于支撑整个传感器单元的减振框架，减振框架底部设置有主控制电路板，主控制电路板上集成了微控制器和相应的电子电路；主控制电路板四周设置有半孔引脚，用于和外部系统连接；减振框架内部设置有传感器单元，传感器单元包括传感器电路板、配重钢块和橡皮筋，配重钢块设置在减振框架内侧的中心位置，传感器电路板设置在配重钢块的侧面，传感器电路板上集成了传感器单元，橡皮筋连接在传感器单元和减振框架的顶角上。橡皮筋沿着减振框架的8个顶角对称设置。整个传感器单元处于减振框架内部中心位置。

该系统中，配重钢块，用于增大传感器单元的惯性质量，降低其共振频率；橡皮筋分别连接于传感器单元和减振框架的8个顶角上，完全对称，用于隔离振动；主控制电路板主要集成了微控制器和相应的电子电路等；半孔引脚，分布于模块的四周，用于和外部系统进行连接。

该模块具体设计安装步骤如下：

（1）使用Altium Designer电路设计软件设计传感器电路板和主控制电路板，并加工制作出来，焊接上相应的电子元器件；

（2）使用Solidworks机械设计软件设计传感器单元的减振框架和配重钢块，采用3D打印或者线切割的方式加工制作成型；

（3）将传感器电路板和配重钢块黏合在一起，并用橡皮筋将其和减振框架连接起来；传感器单元和主控制电路板之间使用软排线连接，用于二者之间的通信；

（4）将传感器单元的减振框架和主控制电路板黏合起来，使二者成为一个整体；

（5）将程序导入模块的微控制器当中，最终完成整个飞行控制器模块的设计和制作。

本发明主要包含两大部分，即传感器单元和主控制器单元。传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和气压计，均集成在电路板上面。由于飞机飞行时候的高频振动会严重影响惯性传感器的性能，甚至导致惯性传感器无法正常使用，因此对传感器单元的减振至关重要。该发明采用独创的橡皮筋减振法，结构简单，成本低廉。具体实现方式是通过增大传感器本身的惯性质量，降低共振频率，并且使用橡皮筋将传感器和振动源隔离。即传感器电路板附上配重钢块，通过橡皮筋与减振支架相连。实验结果表明其减振效果非常显著，基本上能将高频振动完全滤出。主控制器单元包含一个微控制器和相应的电子电路，实现传感器数据的采集、处理和融合，以及运行先进的控制算法对无人机进行控制。其中涉及的算法有数字滤波器算法、姿态数据融合算法、位置数据融合算法、无人机姿态控制算法、无人机导航控制算法等。

该FCM还预留了丰富的外设接口（如UART、CAN总线接口），方便整个系统的扩展。模块采用半孔作为引脚与外部系统相连，因此能以表面贴片的形式进行焊接，具有极强的可嵌入性。使用时，用户只需连接相应的引脚，并配置相应的寄存器即可实现对无人机的飞行控制。

该发明的有益效果在于：本发明模块本身是一个完整的飞控系统，独特的减振方式、灵活的接口以及先进的控制算法，使其不仅具备商品飞控的性能，还具备开源飞控的灵活性。小巧的体积使得用户可以像普通芯片一样直接嵌入到自己的无人机系统当中，既可以极大的缩短用户开发无人机的周期，也能让用户摆脱飞控商标的影响。

附图说明

图1为本发明实施例中的总体结构示意图。

图2为本发明实施例中的内部传感器单元的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

如图1、图2所示的无人机飞行控制器模块，包括用于支撑整个传感器单元的减振框架1，减振框架1底部设置有主控制电路板2，主控制电路板2上集成了微控制器和相应的电子电路；主控制电路板2四周设置有半孔引脚3，用于和外部系统连接；减振框架1内部设置有传感器单元，传感器单元包括传感器电路板4、配重钢块5和橡皮筋6，配重钢块5设置在减振框架1内侧中心位置，传感器电路板4设置在配重钢块5的侧面位置，传感器电路板4上集成了传感器单元，橡皮筋6连接在传感器单元和减振框架1的顶角上。橡皮筋6沿着减振框架1的8个顶角对称设置。

该系统中，配重钢块5，用于增大传感器单元的惯性质量，降低其共振频率；橡皮筋6分别连接于传感器单元和减振框架的8个顶角上，完全对称，用于隔离振动；主控制电路板2主要集成了微控制器和相应的电子电路等；半孔引脚3，分布于模块的四周，用于和外部系统进行连接。

该模块具体设计安装步骤如下：

（1）使用Altium Designer电路设计软件设计传感器电路板4和主控制电路板2，并加工制作出来，焊接上相应的电子元器件；

（2）使用Solidworks机械设计软件设计传感器单元的减振框架1和配重钢块5，采用3D打印或者线切割的方式加工制作成型；

（3）将传感器电路板4和配重钢块5黏合在一起，并用橡皮筋6将其和减振框架1连接起来；传感器单元和主控制电路板2之间使用软排线连接，用于二者之间的通信；

（4）将传感器单元的减振框架1和主控制电路板4黏合起来，使二者成为一个整体；

（5）将程序导入模块的微控制器当中，最终完成整个飞行控制器模块的设计和制作。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。尤其对于本发明中的减振方式，同样视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种无人机飞行控制器模块，其特征在于：包括用于支撑整个传感器单元的减振框架，所述减振框架底部设置有主控制电路板，所述主控制电路板上集成了微控制器和相应的电子电路；所述主控制电路板四周设置有半孔引脚，用于和外部系统连接；所述减振框架内部设置有传感器单元，所述传感器单元处于减振框架内部中心位置，包括传感器电路板、配重钢块和橡皮筋，所述配重钢块设置在减振框架内侧的中心位置，所述传感器电路板设置在配重钢块的侧面，传感器电路板上集成了传感器单元，所述橡皮筋连接在传感器单元和减振框架的顶角上。

2.根据权利要求1所述的无人机飞行控制器模块，其特征在于：所述橡皮筋沿着减振框架的8个顶角对称设置。

3.根据权利要求1所述的无人机飞行控制器模块，其特征在于：所述模块具体设计安装步骤如下：

（1）使用Altium Designer电路设计软件设计传感器电路板和主控制电路板，并加工制作出来，焊接上相应的电子元器件；

（2）使用Solidworks机械设计软件设计传感器单元的减振框架和配重钢块，采用3D打印或者线切割的方式加工制作成型；

（3）将传感器电路板和配重钢块黏合在一起，并用橡皮筋将其和减振框架连接起来；传感器单元和主控制电路板之间使用软排线连接，用于二者之间的通信；

（4）将传感器单元的减振框架和主控制电路板黏合起来，使二者成为一个整体；

（5）将程序导入模块的微控制器当中，最终完成整个飞行控制器模块的设计和制作。