CN106708071A - 一种高集成自主飞行微型无人机飞控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明设计一种高集成自主飞行微型无人机飞控系统，其中包括用于检测飞行状态的MEMS三轴加速度传感器；用于飞行定位的MEMS卫星定位接收传感器；用于侦察检测的CMOS图像传感器；用于驱动无刷电机的集成芯片以及用于导航和飞行控制的主控芯片。本发明所涉及的微型高集成自主飞行无人机采用二次集成技术将三轴加速度传感器，卫星定位接收传感器，CMOS图像传感器，无刷电机驱动芯片以及主控芯片的裸片集成到一个封装里面，相比现有无人机组装技术提高了集成度和稳定性，减少了体积和重量。
Description
技术领域
本发明涉及一种微型无人机控制系统，尤其涉及一种高集成自主飞行微型无人机飞控系统。
背景技术
航空电子是机载″神经系统″，是实现微型无人机不可忽视的先进技术。现有无人飞行器常见的平台结构是各类传感器执行器与微处理器连接，各种飞行器的姿态，电量飞行高度、速度等数据分别通过总线汇总到微处理器进行计算，飞控程序算出执行器如电机舵机需要的控制信号后通过总线传递到对应的执行器。对于普通尺寸的无人机，该方案因为飞控的可编程特性具有较高的灵活性，然而对于微型无人机，传统的板级设计具有体积和重量的劣势，为了对应任务具有高效性，势必从芯片的层面就进行高度的集成和系统化的设计，只有这样才能实现体积和性能的高度统一。
美国DARPA局在开始计划微型无人机研究时，已经初步考虑到利用微机电系统技术的发展推动对微型无人机的发展。由于微型无人机的质量和体积受限，留给飞行器机电系统的总重量只有几十克，显然常规无人机或者微型无人机所使用的机电设备在微型无人机上已经不适用了。机电器件的微型化发展趋势为微型无人机的发展提供了可能。集成传感器、运算处理器和执行器于单芯片的片上系统能够大大提高微型无人机的智能化、系统集成度和稳定性，是未来微型无人机的必然发展趋势。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种高集成度、高稳定性、低功耗、轻载荷的微型无人机飞控系统。
本发明的技术方案是这样构成的：
一种高集成自主飞行微型无人机飞控系统，包括主控芯片、MEMS三轴加速度传感器、MEMS卫星定位接收传感器、CMOS图像传感器和无刷电机驱动芯片；所述的MEMS三轴加速度传感器、MEMS卫星定位接收传感器和CMOS图像传感器的输出端分别连接到主控芯片对应的输入接口，主控芯片的输出连接无刷电机驱动芯片。
所述主控芯片用于飞行控制和路径导航的控制算法处理；所述MEMS三轴加速度传感器用于检测现行飞行器飞行状态；所述MEMS卫星定位接收传感器用于飞行器定位和导航；所述CMOS图像传感器用于侦察和检测。
所述主控芯片向所述无刷电机驱动芯片发出控制指令，无刷电机驱动芯片的输出端连接到无人机的舵机，通过解算控制指令，控制舵机的转动；所述的飞行器舵机带有四个轴向的无刷电机。
主控芯片的输出还连接地面机台的图像显示装置，主控芯片将所述CMOS图像传感器捕捉到的数据画面通过图像解算和图像处理，得到目标物体的位置和其他信息，经通信系统将图像传输到地面机台的图像显示装置，实现飞行器的监控功能。
所述主控芯片位于飞行器机身平台中央；所述CMOS图像传感器位于飞行器机身平台前侧，用于探测和识别物体，传输无人机侦测到的地形、人员等信息；所述无刷电机驱动芯片位于飞行器机身平台偏侧臂处，用于精确的控制飞行器舵机四个轴向的无刷电机转向和转速。
采用二次集成技术将三轴加速度传感器，卫星定位接收传感器，图像传感器，无刷电机驱动芯片以及主控芯片的裸片集成到同一封装，提高系统稳定性和抗干扰能力。
所述主控芯片采用TI芯片TMS320DM6467，该芯片集成了ARM与DSP内核，为TI新一代高清视频处理芯片。
所述MEMS三轴加速度传感器采用freescale公司的MMA7455芯片；所述MEMS卫星定位传感器采用STMicroelectronics公司的Teseo III芯片，在单一芯片上整合射频单元、数字控制器和闪存，可同时追踪多个不同的卫星定位系统；所述CMOS图像传感器采用OmniVision公司的OV764芯片；所述无刷电机驱动芯片采用SANYO公司的LB11820M芯片。
本发明与现有的微型无人机相比，具有如下显著的技术优势与特点：
(1)集成度高。本发明所涉及的无人飞行系统采用片上系统设计，系统集成度高，比现有微型无人机更轻便。
(2)稳定性高。本发明所涉及的无人飞行系统集成度高，串扰小，稳定性高。
(3)功耗低。本发明所涉及的无人飞行系统针对功耗进行了特殊设计，系统功耗大幅缩减。
(4)载荷轻，噪声小。本发明所涉及的无人飞行系统噪声小，可用于隐蔽条件下的目标检测、车牌识别、行为识别等。
附图说明
图1是所述高集成自主飞行微型无人机飞控系统框图；
图2是所述COMS图像传感器结构图；
图3是所述COMS图像传感器象敏单元；
图4是所述无刷电机驱动芯片原理图；
图5是所述主控模块框图。
图中：1、主控芯片，2、MEMS三轴加速度传感器，3、MEMS卫星定位接收传感器，4、CMOS图像传感器，5、无刷电机驱动芯片，6、图像显示装置，7、舵机。
具体实施方式
图1所示，一种高集成自主飞行微型无人机飞控系统，包括主控芯片1、MEMS三轴加速度传感器2、MEMS卫星定位接收传感器3、CMOS图像传感器4和无刷电机驱动芯片5。所述的MEMS三轴加速度传感器2、MEMS卫星定位接收传感器3和CMOS图像传感器4的输出端分别连接到主控芯片1对应的输入接口，主控芯片1的输出连接无刷电机驱动芯片5及地面机台的图像显示装置。所述主控芯片1用于飞行控制和路径导航的控制算法处理。所述MEMS三轴加速度传感器2将信号传递到主控芯片1，为飞控系统提供姿态信息。所述MEMS卫星定位传感器3将信号传递到主控芯片1，为飞控系统提供位置信息和姿态信息，经主控芯片1解算后，得到飞行器现在的飞行状态。所述主控芯片1通过分析现在的飞行状态，经过飞控算法向所述无刷电机驱动芯片5发出控制指令，无刷电机驱动芯片5的输出端连接到无人机的舵机7，无刷电机驱动芯片5通过对输入的速度控制信号和从反电动势获取的转速和转子位置数据进行PID控制，得到多路PWM信号的输出，通过功率MOS组成的3相的反相器实现对相电流的控制，即通过解算控制指令，控制舵机7的转动，实现飞行器的正常飞行。所述CMOS图像传感器4将信号传递到主控芯片1，为飞控系统提供地面和物体的数据信息；所述主控芯片1将所述CMOS图像传感器4捕捉到的数据画面通过图像解算和图像处理，得到目标物体的位置和其他信息，经通信系统将图像传输到地面机台的图像显示装置6，实现飞行器的监控功能。
所述主控芯片1位于飞行器机身平台中央。所述CMOS图像传感器4位于飞行器机身平台前侧，用于探测和识别物体，传输无人机侦测到的地形、人员等信息。所述无刷电机驱动芯片5位于飞行器机身平台偏侧臂处，用于精确的控制飞行器舵机7四个轴向的无刷电机转向和转速，给飞行器稳定飞行提供保障。
所述的高集成自主飞行微型无人机飞控系统，传感器芯片和主控芯片均采用裸片封装：采用二次集成技术将三轴加速度传感器2，卫星定位接收传感器3，图像传感器4，无刷电机驱动芯片5以及主控芯片1的裸片集成到同一封装，进行总体封装，以提高其系统集成度，减小载荷重量，增加系统稳定性和抗干扰能力。系统所采用的单功能芯片，既可以采用针对此系统专门设计开发，通过流片工艺生产的芯片，又可以采用市场上现有芯片的裸片封装。
所述高集成自主飞行微型无人机飞控系统中涉及传感器芯片和主控芯片通过流片工艺生产。
所述MEMS三轴加速度传感器2采用体硅ICP深刻蚀技术及硅玻璃的静电键合技术获得；ICP深刻蚀技术能够实现大厚度、高宽深比刻蚀静电键合保证衬底与芯片之间实现粘接，可靠性较高。在结构上，所述MEMS三轴加速度传感器2采用梳齿电容式三轴加速度计结构，电容变化是变极距引起的，动极板的运动会挤压极板间气体。该结构能够较大地减少三轴加速度计的体积，采用差分梳齿电容结构，有利于增加检测微小电容量，提高检测精度，同时也提高了加速度计的综合性能。
所述CMOS图像传感器，采用微型光流传感芯片，通过FPGA实现海量光流数据的实时计算，通过摄像头采集到的信息来确定飞行器的位置变化信息，给飞控提供室内坐标的定位。COMS图像传感器的原理图如图2所示，它的主要组成部分是象敏单元阵列和CMOS场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。象敏单元组按照X方向和纵Y方向排列成阵列，阵列中的每一个感光单元都会对应一个X和Y方向的地址，而且可以分别由横纵两个方向的地址译码器进行定位和选择；每一个感光二极管旁边都有一个列放大器，这个列放大器时将感光二极管收集到的光信息输出至输出放大器，再经过A/D模数转换器进行转换后，经预处理器电路处理后，再通过接口电路输出。
所述CMOS图像传感器中象敏单元阵列实际上是光电二极管阵列，如图3所示，通过使用聚酞亚胺掩膜技术在传感器的每个感光单元上覆盖一层微小的R，G或是B彩色光学滤镜，只允许某波段的光线透过，在感光单元上产生相应强度的电荷量。电荷量代表该点颜色的色度和强度。
所述无刷电机驱动芯片，采用单芯片解决方案，通过对输入的速度控制信号和从反电动势获取的转速和转子位置数据进行PID控制，得到多路PWM信号的输出，通过功率MOS组成的3相的反相器实现对相电流的控制。如图4所示，无刷电机驱动芯片用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便，具备调速，正反转，过流保护，短路保护，欠压保护等功能，工作稳定，防干扰能力强等特点。
所述主控制模块采用片上系统设计，配备完善的飞行控制接口，只需要简单改动外围电路便可以满足一系列小型无人机的飞行控制和飞行管理功能要求，从而实现一次开发，多型号使用，降低系统开发成本的目的。
所述主控芯片，采用基于ARM处理器内核的片上系统设计，根据无人机飞行控制的设计需求，以及小型化、低功耗的要求设计，针对微型飞控算法进行了优化，配备了飞控系统的通用接口。可以实现对多路模拟信号的高精度采集，包括陀螺信号、航向信号、舵偏角信号、发动机转速、电源电压信号等。通过输出开关量信号、模拟信号和PWM脉冲信号等适应不同执行机构的控制要求。如图5所示，所述主控芯片划分为4个模块：时间管理模块、数据采集与处理模块、通信模块、控制律解算模块。通过时间管理模块在毫秒级时间内对无人机进行实时控制；数据采集模块采集无人机的飞行状态、姿态参数以及飞行参数、飞行状态及飞行参数进行遥测编码并通过串行接口传送至机载数据终端，通过无线数据信道发送到地面控制站进行飞行监控；姿态参数通过软件内部接口送控制律解算模块进行解算，并将结果通过DA通道送机载伺服系统，控制舵机运行，达到调整、飞机飞行姿态的目的；通信模块完成飞控计算机与其他机载外设之间的数据交换功能。
实施例：
所述主控芯片采用TI芯片TMS320DM6467，该芯片集成了ARM与DSP内核，为TI新一代高清视频处理芯片。
所述MEMS三轴加速度传感器采用freescale公司的MMA7455芯片，该芯片是一款低功耗、紧凑型电容式微机械三轴加速度计，具有信号调理、低通滤波器、温度补偿等功能。
所述MEMS卫星定位传感器采用STMicroelectronics公司的Teseo III芯片，该芯片在单一芯片上整合射频单元(RF)、数字控制器和闪存，可同时追踪多个不同的卫星定位系统。
所述无刷电机驱动芯片采用SANYO公司的LB11820M芯片，该芯片是三相直流无刷电机驱动芯片，具备开环三相电机控制所需的全部有效功能，并且具有比较完善的保护电路。
所述CMOS图像传感器采用OmniVision公司的OV764芯片，该芯片将CMOS光感应核与外围支持电路集成在一起，能够消除普通的光电干扰，具有可编程控制与视频模/数混合输出等功能。
所述的高集成自主飞行微型无人机飞控系统，采用二次集成技术将所述三轴加速度传感器MMA7455，卫星定位接收传感器Teseo III，CMOS图像传感器OV764，无刷电机驱动芯片LB11820M以及主控芯片TMS320DM6467的裸片集成到同一封装，提高系统稳定性和抗干扰能力。
Claims (8)
1.一种高集成自主飞行微型无人机飞控系统，其特征在于：包括主控芯片、MEMS三轴加速度传感器、MEMS卫星定位接收传感器、CMOS图像传感器和无刷电机驱动芯片；所述的MEMS三轴加速度传感器、MEMS卫星定位接收传感器和CMOS图像传感器的输出端分别连接到主控芯片对应的输入接口，主控芯片的输出连接无刷电机驱动芯片。
2.根据权利要求1所述的无人机飞控系统，其特征在于：所述主控芯片用于飞行控制和路径导航的控制算法处理；所述MEMS三轴加速度传感器用于检测现行飞行器飞行状态；所述MEMS卫星定位接收传感器用于飞行器定位和导航；所述CMOS图像传感器用于侦察和检测。
3.根据权利要求1或2所述的无人机飞控系统，其特征在于：所述主控芯片向所述无刷电机驱动芯片发出控制指令，无刷电机驱动芯片的输出端连接到无人机的舵机，通过解算控制指令，控制舵机的转动；所述的飞行器舵机带有四个轴向的无刷电机。
4.根据权利要求1所述的无人机飞控系统，其特征在于：主控芯片的输出还连接地面机台的图像显示装置，主控芯片将所述CMOS图像传感器捕捉到的数据画面通过图像解算和图像处理，得到目标物体的位置和其他信息，经通信系统将图像传输到地面机台的图像显示装置，实现飞行器的监控功能。
5.根据权利要求1或3所述的无人机飞控系统，其特征在于：所述主控芯片位于飞行器机身平台中央；所述CMOS图像传感器位于飞行器机身平台前侧，用于探测和识别物体，传输无人机侦测到的地形、人员等信息；所述无刷电机驱动芯片位于飞行器机身平台偏侧臂处，用于精确的控制飞行器舵机四个轴向的无刷电机转向和转速。
6.根据权利要求1所述的无人机飞控系统，其特征在于：采用二次集成技术将三轴加速度传感器，卫星定位接收传感器，图像传感器，无刷电机驱动芯片以及主控芯片的裸片集成到同一封装，提高系统稳定性和抗干扰能力。
7.根据权利要求1所述的无人机飞控系统，其特征在于：所述主控芯片采用TI芯片TMS320DM6467，该芯片集成了ARM与DSP内核，为TI新一代高清视频处理芯片。
8.根据权利要求1所述的无人机飞控系统，其特征在于：所述MEMS三轴加速度传感器采用freescale公司的MMA7455芯片；所述MEMS卫星定位传感器采用STMicroelectronics公司的Teseo III芯片，在单一芯片上整合射频单元、数字控制器和闪存，可同时追踪多个不同的卫星定位系统；所述CMOS图像传感器采用OmniVision公司的OV764芯片；所述无刷电机驱动芯片采用SANYO公司的LB11820M芯片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170524 |