CN108873792A

CN108873792A - 一种基于arm和dsp的工业级无人机飞控系统

Info

Publication number: CN108873792A
Application number: CN201811020849.XA
Authority: CN
Inventors: 周满; 杨春雷; 张明月; 张驰; 储海荣
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2018-09-03
Publication date: 2018-11-23

Abstract

本发明公开了一种基于ARM和DSP的工业级无人机飞控系统，包括：电源板、主控板及IMU板；所述电源板为所述主控板及IMU板隔离供电；所述主控板上设置主处理器，所述主处理器用于接收遥控器控制信号、无人机姿态信息，读取航点信息，并根据接收的遥控器控制信号、无人机姿态信息及读取到的航点信息生成无人机控制指令；所述IMU板上设置协处理器、传感器单元及GPS单元，所述协处理器用于采集接收传感器单元及GPS单元的信息，根据接收传感器单元及GPS单元的信息得到无人机状态信息，并将无人机状态信息通过CAN总线发送至主处理器，本发明能够提高飞控系统的安全性、可靠性，使其满足工业级无人机的需求。

Description

一种基于ARM和DSP的工业级无人机飞控系统

技术领域

本发明涉及飞控系统设计技术领域，特别涉及一种提高飞控系统的安全性、可靠性，使其满足工业级无人机的需求的基于ARM和DSP的工业级无人机飞控系统硬件结构。

背景技术

无人机是一种无人驾驶飞行器，因其体积小、成本低、机动灵活等优点，尤其是无人机可在恶劣环境下进行特种作业，降低人员风险。为此，无人机被广泛的应用在农林防护、灾害救援、地质勘探、军事对抗等诸多领域。其中飞控是无人机控制系统的核心，控制无人机执行作业任务或飞行，但由于无人机自身可靠性问题，无人机失控坠机、伤人等事故频发。随着无人机的普及，国家对无人机的管控更为严格，其对飞控系统的安全性、可靠性也提出了更高的要求，飞控性能的好坏直接决定了无人机能否安全、可靠的执行作业任务或飞行。因此，为提高飞控系统的可靠性及性能，本发明提出一种基于ARM和DSP的工业级无人机飞控系统。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种提高飞控系统的安全性、可靠性，使其满足工业级无人机的需求的基于ARM和DSP的工业级飞控系统硬件结构。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明提供一种基于ARM和DSP的工业级无人机飞控系统，飞控系统包括：电源板、主控板及IMU板；

所述电源板为所述主控板及IMU板隔离供电；

所述主控板上设置主处理器，所述主处理器用于接收遥控器控制信号、无人机姿态信息，读取航点信息，并根据接收的遥控器控制信号、无人机姿态信息及读取到的航点信息生成用于控制无人机的控制指令；

所述IMU板上设置协处理器、传感器单元及GPS单元，所述协处理器用于采集接收传感器单元及GPS单元的信息，进行卡尔曼滤波、导航解算处理得到无人机状态信息，并将无人机状态信息通过CAN总线发送至主处理器。

所述主控板与所述IMU板之间采用隔离的CAN总线进行通信。减少板件接线，并提高通信的可靠性。

所述主处理器接收遥控器控制信号，并将遥控器控制信号转换为无人机的各舵控指令，并通过隔离的PWM处理模块控制无人机舵机偏转，进而对无人机姿态进行控制。

所述传感器单元包括内置传感器及外置传感器；

所述内置传感器焊接在IMU板上，通过非隔离SPI、IIC接口与协处理器连接，满足无人机安全飞行；

所述外置传感器采用隔离接口与IMU板进行连接。如，组合导航等与IMU板之间采用隔离的RS422进行通信，抑制共模干扰等，降低通信干扰，保护处理器。

所述电源板包括：功率供电部分、数字供电部分、USB调试供电。

功率供电部分，供电范围7-42V，转换为功率5V给舵机、电机、PWM处理模块、外置传感器供电；

数字供电部分，供电范围3-9V，先升压至12V，再稳压至5V，给主处理器处理器、协处理器及内置传感器供电；

USB调试供电，主要方便调试使用，将迷你USB接口电压稳压至3.3V给处理器及部分内置传感器供电；

USB调试供电给接收机等部分外置设备供电，便于调试使用。

所述飞控系统内包括飞控板，所述飞控板分两层，主控板位于下层，IMU板和电源板位于上层，飞控系统外壳为长方体，在外壳一侧留有GPS天线座子、数传天线座子、迷你USB接口、31芯接插件接口。采用三拼板方式可以比较好的利用无人机的内部空间，同时也有利于对各个模块进行减震处理。

本发明的有益效果如下：

1、本发明采用ARM+DSP的设计方法，符合多种实时操作系统的需求，协处理器采用DSP处理器；C2000系列的DSP处理器具有丰富的SCI、CAN、SPI、IIC等通信接口，且处理器主频较高，满足多种传感器接口需求及数据处理需求。

2、飞控系统由主控板、IMU板、电源板三块独立板组成，方便后期各模块升级及团队的协同开发。

3、主控板与IMU板采用隔离的CAN总线进行通信，减少线缆数量，提高通信速度及通信可靠性。

4、外置传感器与IMU板采用隔离通信，可有效抑制共模干扰，有效保护处理器。

5、所述电源板包括：功率供电部分、数字供电部分、USB调试供电。功率供电部分与数字供电部分隔离供电，有效地避免功率供电部分与数字供电部分发生串扰，降低安全风险及噪声，提高了飞控系统可靠性。

6、采用大容量NANDFlash存储芯片作为存储介质，避免飞行振动情况可能出现的接触不良，保证飞行数据存储及航点数据读取工作的正常进行。

7、通过迷你USB接口读写存储芯片内飞行数据，避免飞控系统来回拆卸、安装，方便用户使用，且可靠性高。

8、迷你USB接口可为飞控进行供电，方便在地面进行调试。

附图说明

图1是本发明的飞控系统硬件结构框图。

图2是本发明的飞控系统硬件布局图。

1、电源板 2、主控板 3、IMU板 4、GPS天线座子 5、数传天线座子 6、迷你USB接口7、31芯接插件接口

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1、2所示，本发明实施例提供的基于ARM和DSP的工业级无人机飞控系统，包括：电源板1、主控板2及IMU板3；

电源板1为主控板2及IMU板3隔离供电；有效地避免功率供电部分与数字供电部分发生串扰，降低安全风险及噪声，提高了飞控系统可靠性。

主控板2设计：

(1)主控板2主要包括主处理器、遥控器接收模块、外扩存储芯片、PWM处理模块、CAN总线。

(2)主处理器采用ARM主处理器，如STM32f4系列处理器，主要负责遥控器信号接收、无人机姿态信息接收、航点信息读取，并根据接收到的遥控器信号、无人机姿态信息、读取到的航点信息进行计算生成用于控制无人机的控制指令。

(3)飞行过程中，主处理器将飞行数据实时存储至外扩存储芯片，外扩存储芯片采用NANDFlash存储芯片，便于后期数据分析处理。

(4)传统的SD/TF卡存储模式，可靠性低，在振动情况可能存在存储卡与卡槽接触不良情况，导致飞行数据存储失败或航点数据读取异常，导致飞行失败，本发明考虑采用大容量的NANDFlash存储芯片作为存储介质，其优点是读写速度快、成本低、容量大。

(5)主处理器将遥控器控制信号转换为无人机的各舵控信号，并通过隔离的PWM处理模块控制舵机偏转，进而实现飞机姿态的控制。

(6)电源板1包括：功率供电部分、数字供电部分、USB调试供电。功率供电部分与数字供电部分隔离供电，有效地避免功率供电部分与数字供电部分发生串扰，降低安全风险及噪声，提高了飞控系统可靠性。

IMU板3设计：

(1)IMU板3主要包括协处理器、通信单元、GPS单元、传感器单元。

(2)协处理器采用DSP处理器，主要负责采集接收传感器单元的信息，并进行卡尔曼滤波、导航解算等处理，并将得到无人机状态信息通过的CAN总线发送至主处理器。

(3)通信单元主要包括CAN通信模块、SPI通信模块、IIC通信模块、RS232通信模块、RS422通信模块等。

(4)主控板2与IMU板3之间采用隔离的CAN总线进行通信，减少板件接线，并提高通信的可靠性。

步骤三：传感器单元设计：

(1)传感器单元主要分为两部分，内置传感器，外置传感器。

(2)内置传感器芯片直接焊接在IMU板3上，通过非隔离SPI、IIC接口连接，满足无人机安全飞行。

(3)外置传感器采用隔离接口与IMU板3进行连接。如，组合导航等与IMU板3之间采用隔离的RS422进行通信，抑制共模干扰等，降低通信干扰，保护处理器。

电源模块设计：

(1)电源模块主要包括三部分：功率供电部分、数字供电部分、USB调试供电。

(2)功率供电部分，采用宽范围供电(7-42V)，通过二次电源转换模块转换为功率5V给舵机、电机、PWM处理模块、及部分外置传感器供电，二次电源转换模块通过电调转换为5V给舵机。

(3)数字供电部分，供电范围3-9V，先升压至12V，再稳压至5V，给处理器及内置传感器供电。

(4)USB调试供电，主要方便调试使用，将迷你USB接口电压稳压至3.3V给处理器及部分内置传感器供电。另外，USB接口电压直接给接收机等部分外置设备供电，便于调试使用。

步骤五：数据读取

(1)飞行结束后，通过迷你USB接口读取NANDFlash内的飞行数据。

步骤六：飞控板安装

如图2所示，飞控板由三块板组成，共分两层，主控板2位于下层，IMU板3和电源板1位于上层，电源板1为主控板2和IMU隔离供电。飞控系统的外壳为长方体，在外壳一侧留有GPS天线座子4、数传天线座子5、迷你USB接口6、31芯接插件接口7。采用三拼板方式可以比较好的利用无人机的内部空间，同时也有利于对各个模块进行减震处理。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种基于ARM和DSP的工业级无人机飞控系统，其特征在于，所述的飞控系统包括：电源板(1)、主控板(2)及IMU板(3)；

所述电源板(1)为所述主控板(2)及IMU板(3)隔离供电；

所述主控板(2)上设置主处理器，所述主处理器用于接收遥控器控制信号、无人机姿态信息，读取航点信息，并根据接收的遥控器控制信号、无人机姿态信息及读取到的航点信息生成用于控制无人机的控制指令；

所述IMU板(3)上设置协处理器、传感器单元及GPS单元，所述协处理器用于采集接收传感器单元及GPS单元的信息，依据采集接收传感器单元及GPS单元的信息，得到无人机状态信息，并将无人机状态信息通过CAN总线发送至主处理器。

2.如权利要求1所述的一种基于ARM和DSP的工业级无人机飞控系统，其特征在于，所述主控板(2)与所述IMU板(3)之间采用隔离的CAN总线进行通信。

3.如权利要求1所述的一种基于ARM和DSP的工业级无人机飞控系统，其特征在于，所述的主控板(2)还包括PWM处理模块，所述主处理器接收遥控器控制信号，将遥控器控制信号转换为无人机的各舵控指令，并通过隔离的PWM处理模块控制无人机舵机偏转，进而对无人机姿态进行控制。

4.如权利要求1所述的一种基于ARM和DSP的工业级无人机飞控系统，其特征在于，所述传感器单元包括内置传感器及外置传感器；所述内置传感器焊接在IMU板(3)上，通过非隔离SPI、IIC接口与协处理器连接，满足无人机安全飞行；所述外置传感器采用隔离接口与IMU板(3)进行连接。

5.如权利要求1所述的一种基于ARM和DSP的工业级无人机飞控系统，其特征在于，所述电源板(1)包括：

功率供电部分、数字供电部分、USB调试供电；功率供电部分，供电范围7-42V，转换为功率5V给舵机、电机、PWM处理模块、外置传感器供电；

USB调试供电部分，将USB接口电压稳压至3.3V给处理器及部分内置传感器供电；USB接口电压直接给接收机供电。

6.如权利要求1所述的一种基于ARM和DSP的工业级飞控系统硬件结构，其特征在于，所述的主控板(2)位于下层，IMU板(3)和电源板(1)位于主控板(2)的上层，所述的主控板(2)、IMU板(3)、电源板(1)构成飞控板，所述飞控板外设置飞控系统外壳，所述飞控系统外壳为长方体，在所述飞控系统外壳一侧留有GPS天线座子(4)、数传天线座子(5)、迷你USB接口(6)、31芯接插件接口(7)。