CN106933240A - 基于光纤通讯的无人机飞行控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于光纤通讯的无人机飞行控制系统，属于自动控制技术领域，包括舵机和通过光纤与之相连接的控制子系统，控制子系统包括主控芯片、A/D转换芯片、存储单元、RS232芯片、数传电台和传感器单元；其中，GPS模块、IMU传感器和磁传感器的数据输出端分别与主控芯片的GPS采集信息输入端口、姿态信息输入端口、磁航向信息输入端口电连接，空速传感器和静压传感器分别与A/D转换芯片的速度信息输入端口和高度信息输入端口连接；主控芯片和A/D转换芯片通过电连接；主控芯片通过光纤与舵机相连接，主控芯片与数传电台和存储单元均为双向通讯，与相应的端口电连接。本发明提供的无人机飞行控制系统具有抗干扰能力强、可扩展能力好的特点，还具有良好的通用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机飞行控制系统，特别涉及基于光纤通讯的无人机飞行控制系统，属于自动控制技术领域。
背景技术
无人机在防灾救险、科学考察等领域有着广阔的应用，而飞行控制系统是无人机的重要组成部分，在无人机智能化和实用化中起着重要的作用。
无人机的飞行控制系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统，无人机的飞行控制系统对于无人机相当于驾驶员对于有人机的作用，是无人机最核心的技术之一。无人机的飞行控制系统一般包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分，实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。
无人机的飞行控制系统主要由陀螺仪(飞行姿态感知)、加速计、地磁感应飞控、气压传感器(悬停控制)、GPS(英文Global Positioning System(全球定位系统)的简称)模块(选装)以及控制电路组成，主要的功能就是自动保持飞机的正常飞行姿态。
现有的无人机的飞行控制系统存在导线抗腐蚀性差、抗干扰能力差、保密性差、可扩展能力差的问题，这已成为制约无人机飞行控制系统发展的瓶颈。
因此，提供一种抗电磁干扰性能强、传输频带宽、通信容量大、传输损耗低、中继距离长、线径细、重量轻、绝缘、抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强、可扩展能力好的基于光纤通讯的无人机飞行控制系统就成为该技术领域急需解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗电磁干扰性能强；传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻；绝缘、抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强、可扩展能力好的基于光纤通讯农用小型无人机飞行控制系统。
本发明的上述目的是通过如下技术方案达到的：
基于光纤通讯的无人机飞行控制系统，其特征在于：包括舵机和通过光纤与之相连接的控制子系统，所述控制子系统包括主控芯片、A/D转换芯片、存储单元、RS232芯片、数传电台和传感器单元；所述传感器单元包括用于采集无人机姿态信息的IMU传感器、用于采集无人机磁航向信息的磁传感器、用于计算无人机高度信息的静压传感器、用于采集无人机空速信息的空速传感器以及用于采集无人机位置和速度信息的GPS模块，其中，GPS模块、IMU传感器和磁传感器的数据输出端分别与主控芯片的GPS采集信息输入端口、姿态信息输入端口、磁航向信息输入端口电连接，所述空速传感器和静压传感器分别与A/D转换芯片的速度信息输入端口和高度信息输入端口连接；所述控制子系统的主控芯片和A/D转换芯片通过电连接；所述主控芯片通过光纤与舵机相连接，所述主控芯片与数传电台双向通讯，与相应的端口电连接，主控芯片与存储单元为双向通讯，与相应的端口电连接。
优选地，所述数传电台与地面站无线连接。
优选地，所述主控芯片设有任务接口。
优选地，所述主控芯片用于根据传感器单元采集的信息对无人机飞行控制进行运算，并通过光纤通讯向舵机输出决策控制指令的PWM信号，用于控制舵机转动的舵机控制信号。
优选地，所述遥控接收机用于将接收到的PPM信号转换成PWM信号传输给主控芯片。
优选地，所述存储单元对无人机姿态信息、高度信息和磁航向信息进行记录，并将记录到的信息传送至主控芯片。
优选地，所述任务接口用于与相机、喷药设备等的连接。
优选地，所述舵机包括副翼舵、升降舵、油门舵、方向舵、伞舱舵、襟翼舵等，通过接收主控芯片的输入的控制策略PWM信号来控制无人机姿态。
优选地，所述IMU传感器包括三轴陀螺传感器和三轴加速度传感器。
本发明的优点：
与现有的相关设备相比，本发明提供的基于光纤通讯的无人机飞行控制系统，具有抗干扰能力强、抗腐蚀能力强、保密性好、可扩展能力好的特点；同时，本发明的无人机飞控系统具有良好的通用性，可用于农用小型固定翼无人机，又可应用于无人直升机。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1是本发明基于光纤通讯的无人机飞行控制系统的结构示意图。
主要附图标记：
1 主控芯片 2 光纤
3 A/D转换芯片 4 GPS模块
5 IMU传感器 6 磁传感器
7 空速传感器 8 静压传感器
9 遥控接收机 10 存储单元
11 数传电台 12 RS232芯片
13 任务接口 14 舵机
具体实施方式
缩略语说明：
A/D：模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。
IMU：惯性测量单元(inertial measurement unit)的缩写。
GPS：英文Global Positioning System(全球定位系统)的简称。
PWM：Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)的缩写，PWM＝脉宽调制，用调制信号控制脉冲序列中各脉冲的宽度，使每个脉冲的持续时间与该瞬时的调制信号值成比例。
PPM＝脉位调制，用调制信号控制脉冲序列中各脉冲的相对位置(即相位)，使各脉冲的相对位置随调制信号变化。此时脉冲序列中脉冲的幅度和宽度均保持不变
PID：在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制。
实施例1
本发明的基于光纤通讯的无人机飞行控制系统，包括光纤2及挂在光纤2上的控制子系统，所述控制子系统包括主控芯片1、A/D转换芯片3、GPS模块4、IMU传感器5、磁传感器6、空速传感器7、静压传感器8、遥控接收机9、存储单元10、数传电台11、RS232芯片12、任务接口13、舵机14；其中，GPS模块4的数据输出端与主控芯片1的GPS采集信息输入端口通过RS232芯片通信连接，IMU传感器5的数据输出端与主控芯片1的姿态信息输入端口电连接，磁传感器6的数据输出端与主控芯片1的磁航向信息输入端口电连接，空速传感器7的数据输出端与A/D转换芯片3的空速信息输入端口电连接，静压传感器8的数据输出端与A/D转换芯片3的高度信息输入端口电连接，遥控接收机9的数据输出端与主控芯片1的数据输入端口电连接，主控芯片1的模数信号输入端口与A/D转换芯片3的模数信号输出端口连接，主控芯片1与数传电台11为双向通讯，与相应的端口电连接，主控芯片1与存储单元10为双向通讯，与相应的端口电连接。
主控芯片1用于根据各传感器输入信息对无人机飞行控制进行运算；A/D转换芯片3的模数转换单元用于对空速传感器7采集到的飞行过程中飞机相对空气的速度信号和静压传感器8采集到的用于计算空速的静压值信号进行模数转换；GPS模块4用于采集无人机的位置信息和速度信息；IMU传感器5用于采集无人机的姿态信息；磁传感器6用于采集无人机的磁航向信息；静压传感器8用于采集无人机的高度信息；存储单元10用于记录、存储无人机的姿态、速度、高度和飞行控制参数信息；RS232芯片12用于实现差分GPS和主控芯片1的通信；数传电台11用于向主控芯片1传输地面站通讯的数据和差分GPS修正的数据。
主控芯片1用于根据各个传感器采集的信息对无人机飞行控制进行运算，并通过光纤2向舵机14输出决策控制指令的PWM信号，用于控制舵机14转动的舵机控制信号。
存储单元10以20ms记录一次的速度对无人机姿态信息、高度信息和磁航向信息进行记录，并将记录到的信息传送至主控芯片，同时存储飞行控制的一些控制参数(包括：各个回路的PID参数)、控制附加参数(包括：转弯半径、航点允差半径等)、任务航点，使主控芯片通过数传电台将接收到的无人机姿态信息、无人机高度信息和无人机磁航向信息发送至存储单元进行记录存储。
数传电台11用于接收地面站通讯的数据和差分GPS的数据，同时主控芯片1将这些数据转发给移动站，其中，数传电台11通过TTL电平信号接收主控芯片1提供的无人机的姿态信息，并将所述姿态信息发送给地面站。
任务接口13用于无人机工作时的任务需要，如航拍需要安装相机，喷药需要安装喷药设备等。
舵机14包括副翼舵、升降舵、油门舵、方向舵、伞舱舵、襟翼舵等，通过接收主控芯片1的输入的控制策略PWM信号来控制无人机姿态。
主控芯片1和舵机14之间通过光纤2实现通讯,并由光端机实现光电信号的转换。
与现有的设备相比，本发明提供的无人机飞行控制系统，具有抗干扰能力强，具可扩展能力好的特点，同时，本发明的无人机飞控系统具有良好的通用性，可用农用小型于固定翼无人机，又可应用于无人直升机。
基于光纤通讯的无人机飞行控制系统的作业流程如下：
步骤①：系统上电后，主控芯片1、光纤通讯2、A/D转换芯片3、GPS模块4、IMU传感器5、磁传感器6、空速传感器7、静压传感器8、遥控接收机9、存储单元10、数传电台11同时开启；
步骤②：IMU传感器5、磁传感器6、、空速传感器7、静压传感器8开始采集数据；
步骤③：空速传感器7和静压传感器8将采集到的空速、高度等信号经A/D转换模块3传送至主控芯片1；GPS模块4采集到无人机位置信息，并将此信息经RS232芯片12输入至主控芯片1；包括三轴陀螺传感器和三轴加速度传感器的IMU传感器5采集到无人机姿态信息，并将此信息传送至主控芯片1；磁传感器6将采集到的磁航向信息输送至主控芯片1；
步骤④：主控芯片1接收数传电台11的数据信号，同时主控芯片1也将此时无人机的飞行参数经过数传电台11发送到地面站，并将接收到的IMU传感器5采集的无人机姿态信息、磁传感器6采集的无人机磁航向信息、A/D转换芯片3传送的无人机高度、空速信息传输至存储单元10进行保存；遥控接收机9将接收的PPM信号转换成PWM信号传给主控芯片1；
步骤⑤：主控芯片1根据遥控接收机9传输的PWM信号以及各传感器采集到的信息制定控制策略，并将该控制策略信号通过光纤通讯2传输给舵机14。
以上所述仅为本发明较佳的实施方式，并非用来限定本发明的实施范围，但凡在本发明的保护范围内所做的等效变化及修饰，皆应认为落入了本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.基于光纤通讯的无人机飞行控制系统，其特征在于：包括舵机和通过光纤与之相连接的控制子系统，所述控制子系统包括主控芯片、A/D转换芯片、存储单元、RS232芯片、数传电台和传感器单元；所述传感器单元包括用于采集无人机姿态信息的IMU传感器、用于采集无人机磁航向信息的磁传感器、用于计算无人机高度信息的静压传感器、用于采集无人机空速信息的空速传感器以及用于采集无人机位置和速度信息的GPS模块，其中，GPS模块、IMU传感器和磁传感器的数据输出端分别与主控芯片的GPS采集信息输入端口、姿态信息输入端口、磁航向信息输入端口电连接，所述空速传感器和静压传感器分别与A/D转换芯片的速度信息输入端口和高度信息输入端口连接；所述控制子系统的主控芯片和A/D转换芯片通过电连接；所述主控芯片通过光纤与舵机相连接，所述主控芯片与数传电台双向通讯，与相应的端口电连接，主控芯片与存储单元为双向通讯，与相应的端口电连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤通讯的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述数传电台与地面站无线连接。
3.根据权利要求2所述的基于光纤通讯的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述主控芯片设有任务接口。
4.根据权利要求3所述的基于光纤通讯的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述任务接口用于与相机、喷药设备等的连接。
5.根据权利要求4所述的基于光纤通讯的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述舵机包括副翼舵、升降舵、油门舵、方向舵、伞舱舵、襟翼舵等，通过接收主控芯片的输入的控制策略PWM信号来控制无人机姿态。
6.根据权利要求5所述的基于光纤通讯的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述IMU传感器包括三轴陀螺传感器和三轴加速度传感器。
7.根据权利要求6所述的基于光纤通讯的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述主控芯片用于根据传感器单元采集的信息对无人机飞行控制进行运算，并通过光纤通讯向舵机输出决策控制指令的PWM信号，用于控制舵机转动的舵机控制信号。
8.根据权利要求7所述的基于光纤通讯的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述遥控接收机用于将接收到的PPM信号转换成PWM信号传输给主控芯片。
9.根据权利要求8所述的基于光纤通讯的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述存储单元用于对无人机姿态信息、高度信息和磁航向信息进行记录，并将记录到的信息传送至主控芯片。
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