CN109515692A - 基于声纳的自转旋翼机避障系统 - Google Patents

基于声纳的自转旋翼机避障系统 Download PDF

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Abstract

基于声纳的自转旋翼机避障系统。本发明涉及一种基于声纳的自转旋翼机避障系统。微电子处理器/协处理器接收声纳传感器、航姿测量器、位置测量器、速度测量器与高度测量器的信号，所述的微电子处理器U7/协处理器U9将信号传输至方向舵机，所述的方向舵机包括升降舵机、副翼舵机与油门舵机。本发明设计更加安全、性能更加可靠的自转旋翼机，将具有十分显著的人权保证和社会效益。

Description

基于声纳的自转旋翼机避障系统
技术领域：
本发明涉及一种基于声纳的自转旋翼机避障系统。
背景技术：
自转旋翼机被称为“空中机器人”，尤其是微电子、导航、控制、通信等技术，极大推动了飞行控制系统的发展，促进了飞行控制系统在军事和民用领域的应用。
旋翼机前飞时的动力来自于飞机后部的螺旋桨，它与旋翼机的发动机相连，旋转起来向后吹动空气，从而实现飞机的向前飞行。而且，自转旋翼机有尾翼，并且需要通过它控制飞行的方向。正因为此，旋翼机的操作十分简单。由于“旋翼+螺旋桨”的良好分工，旋翼机的动力系统十分简单，而且要求不高，一台较大排量的摩托车发动机就足以驱动一架小型旋翼机。
目前，自转旋翼机避障系统对于大中型的障碍物或地形来说已经很完备了，但是对于小型障碍物还是不能够进行躲避，据调查，全世界大约有60％以上的自转旋翼机坠机事件是和微小型障碍物有关，所以规避微小型障碍物成为亟待解决的问题。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于声纳的自转旋翼机避障系统，设计更加安全、性能更加可靠的自转旋翼机，将具有十分显著的人权保证和社会效益。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于声纳的自转旋翼机避障系统，微电子处理器U7/协处理器U9接收声纳传感器、航姿测量器、位置测量器、速度测量器与高度测量器的信号，所述的微电子处理器U7/协处理器U9将信号传输至方向舵机，
所述的方向舵机包括升降舵机、副翼舵机与油门舵机。
进一步的，所述的微电子处理器U7包括芯片U7A与芯片U7B，所述的芯片U7A的12号端连接晶体振荡器X2的3号端，所述的晶体振荡器X2的2号端接地，所述的晶体振荡器X2的4号端连接工作电压+3.3V，
所述的芯片U7B的6号端连接芯片U7B的11号端、芯片U7B的19号端、芯片U7B的28号端、芯片U7B的50号端、芯片U7B的75号端与芯片U7B的100号端后再连接工作电压+3.3V，
所述的芯片U7B的10号端连接芯片U7B的27号端、芯片U7B的74号端、芯片U7B的99号端与芯片U7B的20号端后接地，
所述的芯片U7B的21号端连接工作电压VDDA，
所述的工作电压VDDA连接电容C18的一端、电容C17的一端与电感L1的一端，所述的电感L1的另一端连接工作电压+3.3V，所述的电容C18的另一端与电容C17的另一端连接后接地，
所述的工作电压+3.3V还连接电容C21的一端、电容C22的一端、电容C23的一端、电容C24的一端、电容C25的一端、电容C26的一端与电容C27的一端，所述的电容C21的另一端连接电容C22的另一端、电容C23的另一端、电容C24的另一端、电容C25的另一端、电容C26的另一端、电容C27的另一端后接地，
所述的工作电压+3.3V还连接芯片U8的4号端、芯片U8的5号端与电容C19的一端，所述的电容C19的另一端连接芯片U8的3号端、芯片U8的6号端、电容C20的一端后接地，所述的电容C20的另一端连接芯片U8的1号端、芯片U8的2号端与工作电压+5V，
所述的芯片U7A的94号端串联电阻R16后接地，所述的芯片U7A的14号端连接电阻R17的一端与电容C28的一端，所述的电阻R17的另一端连接工作电压3.3V，所述的电容C28的另一端接地，所述的芯片U7A的49号端连接电容C30的一端，所述的芯片U7A的73号端连接电容C29的一端，所述的电容C30的另一端连接电容C29的另一端后接地。
有益效果：
1.本发明的主控微处理器的外围电路部分，采用STM32F429作为核心处理器，该处理器的特点是运算速度快(主频180MHz)、外围接口丰富方便对飞控以后的扩展、具有浮点数运算单元提高了飞控的运算效率、工业级处理器稳定性高受外界干扰小、电路中添加了许多解耦电容使得硬件电路的稳定性更高，防止外界信号对处理器干扰。
2.本发明的声纳控制器的外围部分，LV-MaxSonar-EZ1超声波声纳传感器，声纳测距MB1010Pololu，具有低频震动驱赶微小生物、高频破坏雷达检测的特点，体积小、耗电较小、续航能力强。
3.本发明的高度测量器的气压高度传感器外围部分，采用MS5611作为气压高度传感器，具有高度测量分辨率高(分辨率为：10cm)、功耗低(工作电流1μA)、模块外围尺寸小，外围输出接口为SPI，在电路设计上与主处理器的连接更为方便。
4.本发明的低精度测量单元的姿态传感器外围电路，在采用集成度很高的模块，这样可以大大减少飞控电路板上面的元器件个数，从而使飞控的整体体积变得很小，这样可以在体积很小的无人机上面，使得应用更加灵活
附图说明：
图1为本发明的功能模块示意图。
图2是本发明(a)芯片U7A的电路图，(b)芯片U7B的电路图，(c)芯片U8的电路图，(d)晶振X2的电路图，(e)电感L1的电路图，(f)电容组的电路图。
图3为本发明(a)芯片U9A的电路图，(b)芯片U9B的电路图，(c)芯片U9C的电路图，(d)芯片U9D的电路图，(e)芯片U11的电路图，(f)芯片U10的的电路图，(g)USB接口J1的电路图，(h)电容C36-C39的电路图。
图4为本发明(a)串口JP16的电路图，(b)串口JP17的电路图。
图5为本发明(a)串口JP15A的电路图，(b)串口JP15B的电路图，(c)串口JP15C的电路图，(d)电阻R47-R50的电路图。
图6为本发明的声纳传感器的外围电路连接图。
图7为本发明的存储电路图。
图8为本发明的姿态传感器电路图。
图9为本发明的模数转换模块外围电路连接图。
图10为发明的气压高度传感器外围电路连接图。
具体实施方式：
实施例1
一种基于声纳的自转旋翼机避障系统，微电子处理器U7/协处理器U9接收声纳传感器、航姿测量器、位置测量器、速度测量器与高度测量器的信号，所述的微电子处理器U7/协处理器U9将信号传输至方向舵机，
所述的方向舵机包括升降舵机、副翼舵机与油门舵机。
进一步的，所述的微电子处理器U7包括芯片U7A与芯片U7B，所述的芯片U7A的12号端连接晶体振荡器X2的3号端，所述的晶体振荡器X2的2号端接地，所述的晶体振荡器X2的4号端连接工作电压+3.3V，(为系统提供基本的时钟信号，以提供系统所需的时钟频率)，
所述的芯片U7B的6号端连接芯片U7B的11号端、芯片U7B的19号端、芯片U7B的28号端、芯片U7B的50号端、芯片U7B的75号端与芯片U7B的100号端后再连接工作电压+3.3V，用于给芯片U7A上电，
所述的芯片U7B的10号端连接芯片U7B的27号端、芯片U7B的74号端、芯片U7B的99号端与芯片U7B的20号端后接地，能够有效地抑制外来干扰，同时可提高该系统的可靠性，减少系统自身产生的干扰因素，
所述的芯片U7B的21号端连接工作电压VDDA，
所述的工作电压VDDA连接电容C18的一端、电容C17的一端与电感L1的一端，所述的电感L1的另一端连接工作电压+3.3V，所述的电容C18的另一端与电容C17的另一端连接后接地，能够改善输出电压波形和防止大的短路电流烧伤故障点，
所述的工作电压+3.3V还连接电容C21的一端、电容C22的一端、电容C23的一端、电容C24的一端、电容C25的一端、电容C26的一端与电容C27的一端，所述的电容C21的另一端连接电容C22的另一端、电容C23的另一端、电容C24的另一端、电容C25的另一端、电容C26的另一端、电容C27的另一端后接地，能滤除干扰信号，减少纹波系数，
所述的工作电压+3.3V还连接芯片U8的4号端、芯片U8的5号端与电容C19的一端，所述的电容C19的另一端连接芯片U8的3号端、芯片U8的6号端、电容C20的一端后接地，所述的电容C20的另一端连接芯片U8的1号端、芯片U8的2号端与工作电压+5V，该电路为线性稳压电路，对于稳定该电路的电压起到了非常好的作用，
所述的芯片U7A的94号端串联电阻R16后接地，所述的芯片U7A的14号端连接电阻R17的一端与电容C28的一端，所述的电阻R17的另一端连接工作电压3.3V，所述的电容C28的另一端接地，所述的芯片U7A的49号端连接电容C30的一端，所述的芯片U7A的73号端连接电容C29的一端，所述的电容C30的另一端连接电容C29的另一端后接地，其保证内部主调压器的电压稳定，
所述的芯片U7A与芯片U7B的型号均为MC-ARM-STM32F4X9-SQ100。
进一步的，所述的高度测量器内装入气压高度传感器U6，所述的气压高度传感器U6的1号端连接工作电压3.3V，所述的气压高度传感器U6的2号端连接气压高度传感器U6的3号端，这是为了选择通讯总线方式，由于采用SPI总线连接，因此将U6的2，3脚连接，否则为I2C总线，
所述的气压高度传感器U6的5号端连接芯片U7A的3号端，所述的气压高度传感器U6的6号端连接芯片U7A的44号端，所述的气压高度传感器U6的7号端连接芯片U7A的45号端，所述的气压高度传感器U6的8号端连接芯片U7A的43号端，气压高度传感器U6的5脚片选脚控制芯片是否工作，气压高度传感器U6的6脚串行数据输出口，气压高度传感器U6的7脚串行数据输入，气压高度传感器U6的8脚串行数据时钟。
进一步的，所述的存储器内装入芯片U2，所述的芯片U2中的7、8号端口接工作电压3.3V，芯片U2中的3号端口一端接3.3V工作电压，并经过C4导入大地，芯片U2中的4号端口导入大地，芯片U2中的1号端口接芯片U7A的16号端口，芯片U2中的2号端口接芯片U7A的17号端口，芯片U2中的5号端口接芯片U7A的18号端口，芯片U2中的6号端口接芯片U7A的84号端口，这样能够有效的防止掉电过程中将数据存储下来，并在下一次启动时利用上次的数据，不用重新采集数据大大节省了时间。
进一步的，所述的声纳传感器包括芯片U15，所述的芯片U15的1号端接地，所述的芯片U15的7号端接地，所述的芯片U15的3号端连接工作电压+5V，所述的芯片U15的3号端连协处理器U9的29号端口，所述的芯片U15的4号端连协处理器U9的30号端口，所述的芯片U15的型号为MB1010，这是因为芯片U15将信息采集完以后传输给协处理器U9进行分析避障。
进一步的，所述的航姿测量器内装入姿态传感器U1，所述的姿态传感器U1的11号端连接芯片U7A的55号端、电阻R6的一端与电容C6的一端，所述的姿态传感器U1的2号端连接电容C1的一端后接地，所述的姿态传感器U1的3号端连接电容C1的另一端与工作电压+3.3V，所述的姿态传感器U1的4号端连接电阻R1后连接工作电压+3.3V，这是因为姿态传感器U1的4号端的程序下载选择接口，当需要下载程序时将该引脚接地，方便以后修改程序；
所述的姿态传感器U1的5号端连接电阻R2的一端与电阻R4的一端，所述的电阻R2的另一端连接工作电压+3.3V，所述的电阻R4的另一端接地，用于选择连接总线类型为SPI，
所述的姿态传感器U1的6号端连接电容C5的一端、姿态传感器U1的10号端与接地端，所述的姿态传感器U1的9号端连接电容C5的另一端，
所述的电阻R6的另一端连接工作电压3.3V，所述的电容C6的另一端接地，用于选择SPI总线，
所述的姿态传感器U1的14号端连接芯片U7A的56号端，姿态传感器U1的14号端数据测量完成输出中断标志引脚，当微电子处理器数据采集及计算完毕后会通过该引脚通知姿态传感器，
所述的姿态传感器U1的15号端连接姿态传感器U1的16号端、姿态传感器U1的17号端与姿态传感器U1的18号端后接地，所述的姿态传感器U1的19号端连接芯片U7A的47号端与电阻R3的一端，所述的电阻R3的另一端连接工作电压+3.3V，姿态传感器U1的15号端和16号端为控制器输入、输出引脚，可以对外发送控制信号以及采集外来信号，姿态传感器U1的17号端为串行总线数据输入引脚，18号端为传行总线输出引脚。
所述的姿态传感器U1的20号端连接芯片U7A的48号端与电阻R7的一端，所述的电阻R7的另一端连接工作电压3.3V，姿态传感器U1的20号端为I2C通讯总线数据输出引脚；
所述的姿态传感器U1的25号端连接电容C2的一端与电容C3的一端后接地，是姿态传感器U1芯片的接地端口，
所述的姿态传感器U1的28号端连接电容C2的另一端，电容C3的另一端与工作电压+3.3V，工作电压+3.3V用于给姿态传感器U1提供工作电压。
进一步的，所述的协处理器U9的14号端连接串口JP17的2号端，所述的协处理器U9的15号端连接串口JP17的3号端，
所述的协处理器U9的16号端连接芯片U11的4号端，所述的协处理器U9的17号端连接芯片U11的5号端，
所述的协处理器U9的22号端连接串口JP15A的1号端与电阻R47的一端，所述的协处理器U9的23号端连接串口JP15A的4号端与电阻R48的一端，所述的协处理器U9的26号端连接串口JP15A的7号端与电阻R49的一端，所述的协处理器U9的27号端连接串口JP15A的10号端与电阻R50的一端，所述的电阻R47的另一端连接电阻R48的另一端、电阻R49的另一端与电阻R50的另一端后再连接工作电压+5V，所述的协处理器U9的41号端连接串口JP15A的13端口，所述的协处理器U9的42连接芯片U7A的38号端，所述的协处理器U9的43连接芯片U7A的39号端，进行两个CPU之间的通信，
所述的协处理器U9的44号端串联电阻R22后连接串口J1的2号端，所述的协处理器U9的45号端串联电阻R24后连接串口J1的3号端，
所述的协处理器U9的46号端连接串口JP3的2号端，所述的协处理器U9的49号端连接串口JP3的3号端，
所述的协处理器U9的58号端连接串口JP15A的16号端，所述的协处理器U9的59号端连接串口JP15A的19号端，所述的协处理器U9的61号端连接串口JP15A的22号端，所述的协处理器U9的62号端连接串口JP15A的25号端，
所述的协处理器U9的29号端连接串口JP16的2号端，所述的协处理器U9的30号端连接串口JP16的3号端，这是因为声纳传感器MB1010将信息采集完以后传输给协处理器U9进行分析避障，协处理器U9主要是拓展的外围电路串口和储存数据。
所述的协处理器U9的39连接芯片U10的7号端与电阻R29的一端，所述的协处理器U9的40连接芯片U10的8号端与电阻R30的一端，所述的协处理器U9的51连接芯片U10的1号端与电阻R25的一端，所述的协处理器U9的52连接芯片U10的2号端与电阻R26的一端，所述的协处理器U9的53连接芯片U10的5号端与电阻R28的一端，所述的协处理器U9的54连接芯片U10的5号端与电阻R27的一端，所述的电阻R29的另一端连接电阻R30的另一端、电阻R25的另一端、电阻R26的另一端、电阻R28的另一端、电阻R27的另一端、电容C31的一端与工作电压+3.3V，所述的电容C31的另一端连接芯片U10的4号端与接地端。
协处理器U9的型号为STM32F405RGT6。
所述的基于声纳的自转旋翼机，声纳传感器、姿态传感器、气压高度传感器检测外界环境的变化，将检测到的信号经过AD转换模块，把模拟量转换成数字量，再传输到微电子处理器中，对方向舵机进行控制避障。并对周围环境进行实时检测，避免因外界因素而对自转旋翼机造成损害。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于声纳的自转旋翼机避障系统，其特征是：微电子处理器U7/协处理器U9接收声纳传感器、航姿测量器、位置测量器、速度测量器与高度测量器的信号，所述的微电子处理器U7/协处理器U9将信号传输至方向舵机，
所述的方向舵机包括升降舵机、副翼舵机与油门舵机。
2.根据权利要求1所述的基于声纳的自转旋翼机避障系统，其特征是：所述的微电子处理器U7包括芯片U7A与芯片U7B，所述的芯片U7A的12号端连接晶体振荡器X2的3号端，所述的晶体振荡器X2的2号端接地，所述的晶体振荡器X2的4号端连接工作电压+3.3V，
所述的芯片U7B的6号端连接芯片U7B的11号端、芯片U7B的19号端、芯片U7B的28号端、芯片U7B的50号端、芯片U7B的75号端与芯片U7B的100号端后再连接工作电压+3.3V，
所述的芯片U7B的10号端连接芯片U7B的27号端、芯片U7B的74号端、芯片U7B的99号端与芯片U7B的20号端后接地，
所述的芯片U7B的21号端连接工作电压VDDA，
所述的工作电压VDDA连接电容C18的一端、电容C17的一端与电感L1的一端，所述的电感L1的另一端连接工作电压+3.3V，所述的电容C18的另一端与电容C17的另一端连接后接地，
所述的工作电压+3.3V还连接电容C21的一端、电容C22的一端、电容C23的一端、电容C24的一端、电容C25的一端、电容C26的一端与电容C27的一端，所述的电容C21的另一端连接电容C22的另一端、电容C23的另一端、电容C24的另一端、电容C25的另一端、电容C26的另一端、电容C27的另一端后接地，
所述的工作电压+3.3V还连接芯片U8的4号端、芯片U8的5号端与电容C19的一端，所述的电容C19的另一端连接芯片U8的3号端、芯片U8的6号端、电容C20的一端后接地，所述的电容C20的另一端连接芯片U8的1号端、芯片U8的2号端与工作电压+5V，
所述的芯片U7A的94号端串联电阻R16后接地，所述的芯片U7A的14号端连接电阻R17的一端与电容C28的一端，所述的电阻R17的另一端连接工作电压3.3V，所述的电容C28的另一端接地，所述的芯片U7A的49号端连接电容C30的一端，所述的芯片U7A的73号端连接电容C29的一端，所述的电容C30的另一端连接电容C29的另一端后接地。
3.根据权利要求1所述的基于声纳的自转旋翼机避障系统，其特征是：所述的高度测量器内装入气压高度传感器U6，所述的气压高度传感器U6的1号端连接工作电压3.3V，所述的气压高度传感器U6的2号端连接气压高度传感器U6的3号端，
所述的气压高度传感器U6的5号端连接芯片U7A的3号端，所述的气压高度传感器U6的6号端连接芯片U7A的44号端，所述的气压高度传感器U6的7号端连接芯片U7A的45号端，所述的气压高度传感器U6的8号端连接芯片U7A的43号端。
4.根据权利要求1所述的基于声纳的自转旋翼机避障系统，其特征是：所述的存储器内装入芯片U2，所述的芯片U2中的7、8号端口接工作电压3.3V，芯片U2中的3号端口一端接3.3V工作电压，并经过C4导入大地，芯片U2中的4号端口导入大地，芯片U2中的1号端口接芯片U7A的16号端口，芯片U2中的2号端口接芯片U7A的17号端口，芯片U2中的5号端口接芯片U7A的18号端口，芯片U2中的6号端口接芯片U7A的84号端口。
5.根据权利要求1所述的基于声纳的自转旋翼机避障系统，其特征是：所述的声纳传感器包括芯片U15，所述的芯片U15的1号端接地，所述的芯片U15的7号端接地，所述的芯片U15的3号端连接工作电压+5V，所述的芯片U15的3号端连协处理器U9的29号端口，所述的芯片U15的4号端连协处理器U9的30号端口。
6.根据权利要求1所述的基于声纳的自转旋翼机避障系统，其特征是：所述的航姿测量器内装入姿态传感器U1，所述的姿态传感器U1的11号端连接芯片U7A的55号端、电阻R6的一端与电容C6的一端，所述的姿态传感器U1的2号端连接电容C1的一端后接地，所述的姿态传感器U1的3号端连接电容C1的另一端与工作电压+3.3V，所述的姿态传感器U1的4号端连接电阻R1后连接工作电压+3.3V，
所述的姿态传感器U1的5号端连接电阻R2的一端与电阻R4的一端，所述的电阻R2的另一端连接工作电压+3.3V，所述的电阻R4的另一端接地，所述的姿态传感器U1的6号端连接电容C5的一端、姿态传感器U1的10号端与接地端，所述的姿态传感器U1的9号端连接电容C5的另一端，
所述的电阻R6的另一端连接工作电压3.3V，所述的电容C6的另一端接地，
所述的姿态传感器U1的14号端连接芯片U7A的56号端，
所述的姿态传感器U1的15号端连接姿态传感器U1的16号端、姿态传感器U1的17号端与姿态传感器U1的18号端后接地，所述的姿态传感器U1的19号端连接芯片U7A的47号端与电阻R3的一端，所述的电阻R3的另一端连接工作电压+3.3V，
所述的姿态传感器U1的20号端连接芯片U7A的48号端与电阻R7的一端，所述的电阻R7的另一端连接工作电压3.3V，
所述的姿态传感器U1的25号端连接电容C2的一端与电容C3的一端后接地，
所述的姿态传感器U1的28号端连接电容C2的另一端，电容C3的另一端与工作电压+3.3V。
7.根据权利要求1所述的基于声纳的自转旋翼机避障系统，其特征是：所述的协处理器U9的14号端连接串口JP17的2号端，所述的协处理器U9的15号端连接串口JP17的3号端，
所述的协处理器U9的16号端连接芯片U11的4号端，所述的协处理器U9的17号端连接芯片U11的5号端，
所述的协处理器U9的22号端连接串口JP15A的1号端与电阻R47的一端，所述的协处理器U9的23号端连接串口JP15A的4号端与电阻R48的一端，所述的协处理器U9的26号端连接串口JP15A的7号端与电阻R49的一端，所述的协处理器U9的27号端连接串口JP15A的10号端与电阻R50的一端，所述的电阻R47的另一端连接电阻R48的另一端、电阻R49的另一端与电阻R50的另一端后再连接工作电压+5V，所述的协处理器U9的41号端连接串口JP15A的13端口，所述的协处理器U9的42连接芯片U7A的38号端，所述的协处理器U9的43连接芯片U7A的39号端，
所述的协处理器U9的44号端串联电阻R22后连接串口J1的2号端，所述的协处理器U9的45号端串联电阻R24后连接串口J1的3号端，
所述的协处理器U9的46号端连接串口JP3的2号端，所述的协处理器U9的49号端连接串口JP3的3号端，
所述的协处理器U9的58号端连接串口JP15A的16号端，所述的协处理器U9的59号端连接串口JP15A的19号端，所述的协处理器U9的61号端连接串口JP15A的22号端，所述的协处理器U9的62号端连接串口JP15A的25号端，
所述的协处理器U9的29号端连接串口JP16的2号端，所述的协处理器U9的30号端连接串口JP16的3号端。
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