CN106527490A - 油动多旋翼无人机自动驾驶仪 - Google Patents

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李国斌
刘润
翟继炜
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    • G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions
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Abstract

本发明涉及一种油动多旋翼无人机自动驾驶仪，包括主处理器、协处理器、陀螺仪、气压计、加速计和罗盘，主处理器、协处理器、陀螺仪、气压计、加速计和罗盘封装在主板上，主板对外设有多路控制接口，包括电源输入接口、接收机、舵机控制接口、数传接口、GPS接口，陀螺仪、气压计、加速计和罗盘均数连在主处理器上，电源输入接口用以连接外部电源，BEC用于供电和电量采集。该油动多旋翼自驾仪，是专为油动多旋翼无人机研制的工业级、全功能飞控与导航系统，采用自适应飞控与导航算法，容错性能好；集成了高精度的MEMS惯性传感器、高性能中央处理器；支持全自主起降、自动航线飞行；抗电磁干扰、抗振动能力强，可靠性高。

Description

油动多旋翼无人机自动驾驶仪
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种油动多旋翼无人机自动驾驶仪。
背景技术
自动驾驶仪是模仿驾驶员的动作驾驶飞机的。它由敏感元件、计算机和伺服机构组成。早在20世纪初，国外就有人对四旋翼垂直起降机进行了研究。然而，近几年，微型传感器、处理器和能源供给等技术突破性的发展和无人机系统控制新技术的广泛出现，为多旋翼飞行器自主飞行控制的研究提供了很大便利。真正意义上的四旋翼垂直起降机出现在1922年，是由俄裔美国人Dr.George de Bothezat和他的同伴Ivan Jerome共同研制。近年来，多旋翼飞行器随着MEMS器件性能的提升越来越普遍。宾夕法尼亚大学的Vijay Kumar教授关于飞行机器人自主运动与协作控制的诸多研究成果，包括小型四旋翼飞行器在室内激光导航下的高精度定位与超强机动飞行，四旋翼在运动中躲避障碍物、穿越方框，两架四旋翼协同抓取重物，以及多个四旋翼编队飞行、队形变换、协同完成任务等，推动了多旋翼自主飞行控制技术的进一步发展。但是，目前多旋翼自驾仪多半是电动的，采用无刷电机，比如最初常见的大疆无人机，主要应用于拍摄，而电动的缺点是续航能力弱，通常在农业上只能飞行10分钟左右。
发明内容
本发明的目的在于提供一种油动多旋翼无人机自动驾驶仪，能够准确对农药的喷洒密度进行预估，并能有效地将发动机水箱、发动机以及舵机温度进行数据回传。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种油动多旋翼无人机自动驾驶仪，包括主处理器、协处理器、陀螺仪、气压计、加速计和罗盘，主处理器、协处理器、陀螺仪、气压计、加速计和罗盘封装在主板上，主板对外设有多路控制接口，包括电源输入接口、接收机、舵机控制接口、数传接口、GPS接口，陀螺仪、气压计、加速计和罗盘均数连在主处理器上，电源输入接口用以连接外部电源，BEC用于供电和电量采集；接收机连接PPM模块，舵机控制接口用以连接舵机，数传接口用于连接外扩的模拟量，GPS接口用以连接GPS磁罗盘。
进一步地，主处理器为意法半导体公司的STM32F427，协处理器为意法半导体公司的STM32F103。
本自驾仪包含陀螺仪，加速计，气压计与罗盘，可以进行姿态数据融合，得到精准的姿态数据。对于像大型油动多旋翼这一类的无人机，需要增加减震处理，震动幅度越大，需要加载的减震设备柔性要求越高。该设备通过更改源码，可以应用于油动变距多轴。
通过GPS进行数据采用，得到当前的速度、高度等数据，通过这些数据，改变对农药喷洒时的量的控制，使喷洒密度均匀，以便应用于农业作业中。
引出有ADC接口，可以对油量进行采集，当油量不足以返航时，进行油量报警。
发动机水箱、发动机以及舵机温度及时进行数据回传。由于发动机温度超高容易导致拉缸，温度过低则极容易导致主轴磨损，会影响寿命，所以要保证温度在一定的范围才能使发动机寿命最长。自驾仪增加了温度采集和反馈，当温度过高时，调整PWM增大风速。
自驾仪采用铝合金外壳，屏蔽电磁效果好，而且有一定的配重，选择减震器的时候可以选择相应配重。
为了对自驾仪状态进行测试，有一个指示灯接口，可以通过对指示灯的颜色和闪烁状况进行观测，得知当前的状态，以便调试。
引出有程序下载接口，如果要改正当前的运行方式，比如由油动定距六轴改为变距四轴，通过此端口可以进行程序下载。
为了对飞控增加减震处理，使用了机械减震和软件滤波同时进行，机械结构上，飞控采取了两层减震，第一层减震采用海绵减震，柔性度低，第二层采用硅胶减震，柔性系数高，中间加一块铅片增重。软件滤波中，通过更改源码，改变卡尔曼滤波函数中的参数，改变滤波频率和幅值，这样就可以应用于油动变距多轴。
集成了高精度IMU模块、高精度磁传感器，采用高性能非线性GPS/SINS/AHRS算法，具有400Hz更新频率，姿态精度高，GPS信号不好时自动平滑切换为AHRS模式。
采用意法半导体公司的STM32F427为主处理器，STM32F103为协处理器，可靠性高、处理能力强、功耗低、用有外设接口丰富。
该产品支持多种飞行模式包括：GPS悬停模式、姿态模式、自动航线模式。
内置TF卡作为数据存储器(飞行黑匣子)，以及纽扣电池，可以完整记录任意时间内的飞行数据。
引出有PWM接口，可用于云台控制，或者农药喷洒系统控制，通过PWM调整，可以使喷洒量与飞行速度成反比。
串口使用MAVlink通讯协议，支持任意使用该协议的地面站。
该发明的有益效果在于：该油动多旋翼自驾仪，是专为油动多旋翼无人机研制的工业级、全功能飞控与导航系统，采用自适应飞控与导航算法、容错性能好；集成了高精度的MEMS惯性传感器、高性能中央处理器；支持全自主起降、自动航线飞行；抗电磁干扰、抗振动能力强，可靠性高。
附图说明
图1是本发明实施例中所使用装置模块结构示意图。
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。
如图1所示的油动多旋翼无人机自动驾驶仪，包括主处理器、协处理器、陀螺仪、气压计、加速计和罗盘，主处理器、协处理器、陀螺仪、气压计、加速计和罗盘封装在主板上，主板对外设有多路控制接口，包括电源输入接口、接收机、舵机控制接口、数传接口、GPS接口，陀螺仪、气压计、加速计和罗盘均数连在主处理器上，电源输入接口用以连接外部电源，BEC用于供电和电量采集；接收机连接PPM模块，舵机控制接口用以连接舵机，数传接口用于连接外扩的模拟量，GPS接口用以连接GPS磁罗盘。主处理器为意法半导体公司的STM32F427，协处理器为意法半导体公司的STM32F103。
本自驾仪包含陀螺仪，加速计，气压计与罗盘，可以进行姿态数据融合，得到精准的姿态数据。对于像大型油动多旋翼这一类的无人机，需要增加减震处理，震动幅度越大，需要加载的减震设备柔性要求越高。该设备通过更改源码，可以应用于油动变距多轴。
通过GPS进行数据采用，得到当前的速度、高度等数据，通过这些数据，改变对农药喷洒时的量的控制，使喷洒密度均匀，以便应用于农业作业中。
引出有ADC接口，可以对油量进行采集，当油量不足以返航时，进行油量报警。
发动机水箱、发动机以及舵机温度及时进行数据回传。由于发动机温度超高容易导致拉缸，温度过低则极容易导致主轴磨损，会影响寿命，所以要保证温度在一定的范围才能使发动机寿命最长。自驾仪增加了温度采集和反馈，当温度过高时，调整PWM增大风速。
自驾仪采用铝合金外壳，屏蔽电磁效果好，而且有一定的配重，选择减震器的时候可以选择相应配重。
为了对自驾仪状态进行测试，有一个指示灯接口，可以通过对指示灯的颜色和闪烁状况进行观测，得知当前的状态，以便调试。
引出有程序下载接口，如果要改正当前的运行方式，比如由油动定距六轴改为变距四轴，通过此端口可以进行程序下载。
为了对飞控增加减震处理，使用了机械减震和软件滤波同时进行，机械结构上，飞控采取了两层减震，第一层减震采用海绵减震，柔性度低，第二层采用硅胶减震，柔性系数高，中间加一块铅片增重。软件滤波中，通过更改源码，改变卡尔曼滤波函数中的参数，改变滤波频率和幅值，这样就可以应用于油动变距多轴。
该油动多旋翼自驾仪，是专为油动多旋翼无人机研制的工业级、全功能飞控与导航系统，采用自适应飞控与导航算法、容错性能好；集成了高精度的MEMS惯性传感器、高性能中央处理器；支持全自主起降、自动航线飞行；抗电磁干扰、抗振动能力强，可靠性高。
集成了高精度IMU模块、高精度磁传感器，采用高性能非线性GPS/SINS/AHRS算法，具有400Hz更新频率，姿态精度高，GPS信号不好时自动平滑切换为AHRS模式。
采用意法半导体公司的STM32F427为主处理器，STM32F103为协处理器，可靠性高、处理能力强、功耗低、用有外设接口丰富。
该产品支持多种飞行模式包括：GPS悬停模式、姿态模式、自动航线模式。
内置TF卡作为数据存储器(飞行黑匣子)，以及纽扣电池，可以完整记录任意时间内的飞行数据。
引出有PWM接口，可用于云台控制，或者农药喷洒系统控制，通过PWM调整，可以使喷洒量与飞行速度成反比。
串口使用MAVlink通讯协议，支持任意使用该协议的地面站。
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。

Claims (7)

1.一种油动多旋翼无人机自动驾驶仪，其特征在于：包括主处理器、协处理器、陀螺仪、气压计、加速计和罗盘，主处理器、协处理器、陀螺仪、气压计、加速计和罗盘封装在主板上，主板对外设有多路控制接口，包括电源输入接口、接收机、舵机控制接口、数传接口、GPS接口，陀螺仪、气压计、加速计和罗盘均数连在主处理器上，电源输入接口用以连接外部电源，BEC用于供电和电量采集；接收机连接PPM模块，舵机控制接口用以连接舵机，数传接口用于连接外扩的模拟量输入，GPS接口用以连接GPS磁罗盘。
2.根据权利要求1所述的油动多旋翼无人机自动驾驶仪，其特征在于：所述主处理器为意法半导体公司的STM32F427，协处理器为意法半导体公司的STM32F103。
3.根据权利要求1所述的油动多旋翼无人机自动驾驶仪，其特征在于：自驾仪采用铝合金外壳。
4.根据权利要求1所述的油动多旋翼无人机自动驾驶仪，其特征在于：自驾仪设有指示灯接口用以连接指示灯。
5.根据权利要求1所述的油动多旋翼无人机自动驾驶仪，其特征在于：自驾仪内置TF卡作为数据存储器。
6.根据权利要求1所述的油动多旋翼无人机自动驾驶仪，其特征在于：自驾仪引出有PWM接口，用于云台控制，或者农药喷洒系统控制。
7.根据权利要求1所述的油动多旋翼无人机自动驾驶仪，其特征在于：自驾仪串口使用MAVlink通讯协议，支持任意使用该协议的地面站。
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