CN110576982B - 一种无人机飞行指标测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机飞行指标测量装置，属于无人机飞行指标测量以及供电及接口电路等技术领域。该装置包括存储模块、电气底板及两个通信电台，电气底板上设有电池，电气底板包括电源正极、电源负极、软启动和防反接电路、过流和过压保护电路、共模滤波和稳压电路、二次稳压电源电路以及接口转换电路。本发明可根据用户需求连接高精度组合导航系统或GNSS系统，若用户需要位置、速度等信息，则可选用GNSS系统，若用户除需要位置、速度信息外，还需要姿态、角速度、加速度等信息，则可选用组合导航系统。可见，本发明适用性广，可满足多种用户需求。
Description
技术领域
本发明涉及无人机飞行指标测量以及供电及接口电路等技术领域，特别是指一种无人机飞行指标测量装置。
背景技术
近些年来，无人机技术得到了快速的发展，各种多旋翼无人机、固定翼无人机、旋翼机，以及垂起固定翼无人机开始应用于航拍、农业、电力等各种领域。但是这些无人机的飞行性能千差万别，质量也是参差不齐，飞行性能指标也没有统一的标准，存在着不少安全隐患。这就需要相应的评估测量设备对各种无人机的飞行性能进行规范化测试和评估，为无人机性能定级以及进一步的优化提供依据和参考。
目前，针对无人机轨迹测量领域，也有一些相关的测量方法和系统。具体如下：
公开号为CN105372650A的中国专利，其检测方法包括：通过差分GPS单元对无人机飞行三维航迹进行实时采集得到预设三维航迹；对雷达检测单元的至少三个检测雷达到无人机的距离进行实时测量，得到至少三个距离数据；计算得实际三维航迹；根据二者的误差，计算得到无人机飞行三维航迹精确评估参数。该专利的系统过于复杂，机载端设备过重，影响飞机实际飞行性能以及续航。
公开号为CN107607091A的中国专利中，在地面端设置标定好的相机对无人机进行实时拍摄，通过对每帧视频图像进行无人机识别计算并获取无人机三维飞行航迹参数。该方法需要多台相机同时工作，且需要组网，对图像同步要求较高，一方面增加了系统的复杂度，同时也限制了其应用场景，即该方法需要在专用的检校场应用。更重要的是，将无人机当做点目标进行参数计算存在较大误差。
公开号为CN206734657U的中国专利中，采用集成有MEMS惯性测量单元、GPS组成的组合导航系统作为传感器模块对无人机飞行状态进行采集，并把数据解码之后存入存储模块，经USB口离线下载或网口在线下载之后，在地面端进行数据处理。该方案只是进行数据采集和后处理，不能实时监测无人机飞行状态，即使无人机出现潜在故障等危险时，也难以评估和做出相应措施，此外采用离线或者在线下载数据增加外场作业的流程和时间。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种无人机飞行指标测量装置，该装置电路结构简单、合理，易于实现，可以有效采集无人机的性能指标。
基于上述目的，本发明所提供的技术方案是：
一种无人机飞行指标测量装置，其包括存储模块、电气底板及两个通信电台，所述电气底板上设有电池；
所述电气底板包括电源正极、电源负极、软启动和防反接电路、过流和过压保护电路、共模滤波和稳压电路、二次稳压电源电路以及接口转换电路；
所述软启动和防反接电路包括两路场效应管、两只串联在一起的分压电阻、一只充电电容，以及一只稳压二极管；其中，电源正极接到第二路场效应管的漏极，两路场效应管的栅极相连，源极也相连，稳压二极管、充电电容以及一只分压电阻三者并联，并联的一端接两路场效应管的源极，另一端接两路场效应管的栅极，两路场效应管的栅极还通过另一只分压电阻连接电源负极；
所述过流和过压保护电路包括一只自恢复保险丝以及一只瞬变电压抑制二极管，其中，自恢复保险丝串联在电源正极的母线上，瞬变电压抑制二极管并联在电源正极与电源负极之间；
所述共模滤波和稳压电路包括共模滤波以及并联在电源正极与电源负极之间的稳压电容；
所述二次稳压电源电路包括两只开关电源芯片；
所述电气底板将电池输出的电压经过软启动和防反接电路、过流和过压保护电路、共模滤波和稳压电路后生成稳定的低温波电压信号并对外输出；同时，该低温波电压信号还分别通过二次稳压电源电路中的两只开关电源芯片，产生3.3V电源以及所述通信电台和存储模块所需的5V电源；
所述接口转换电路包括TTL转RS422接口电路、串口交叉连接电路以及RS232转TTL接口电路；所述TTL转RS422接口电路的TTL端为对外接口，RS422端连接至所述存储模块；所述串口交叉连接电路对外提供两个TTL接口，这两个TTL接口通过串口交叉连接电路与两个通信电台的第一TTL串口进行交叉连接；所述RS232转TTL接口电路对外提供两个RS232接口，这两个RS232接口通过RS232转TTL接口电路与两个通信电台的第二TTL串口进行交叉连接。
进一步地，还包括GNSS系统，GNSS系统的电源由所述电气底板产生的3.3V电源提供，所述GNSS系统的第一TTL串口与所述接口转换电路中TTL转RS422接口电路的对外接口连接，所述GNSS系统的第二、第三TTL串口与所述接口转换电路中串口交叉连接电路的两个对外TTL接口连接。
进一步地，还包括导航系统，导航系统的电源由所述电气底板产生的低温波电压信号直接提供，所述导航系统输出的两路标准RS232串口信号与所述接口转换电路中RS232转TTL接口电路的两个对外RS232接口连接。
从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：
1、本发明配有两个通信电台，可分别用于接收GNSS基站通过无线网络传输的差分数据信息以及与地面终端进行通信，便于用户监测装置状态并进行远程调试。
2、本发明中电路底板的电路结构简单可靠，具有软启动、防反接电路、过流过压保护、共模滤波以及稳压等多种功能，可以有效保证装置的正常稳定运行。
3、本发明中的各部件均可集成固定在电气底板上，这样，整机对外只需要电源和存储卡接口，具备较好的易用性。
4、本发明可根据用户需求连接高精度组合导航系统或GNSS系统，若用户需要位置、速度等信息，则可选用GNSS系统，若用户除需要位置、速度信息外，还需要姿态、角速度、加速度等信息，则可选用组合导航系统。可见，本发明适用性广，可满足多种用户需求。
附图说明
为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本专利的背景技术、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。
图1是本发明的整体结构框图。
图2是本发明装置连接GNSS系统时的电路原理框图。
图3是本发明装置连接高精度组合导航系统时的电路原理框图。
图4是本发明装置中软启动和防反接电路的电路原理图。
图5是本发明装置中过流和过压保护电路以及共模滤波和稳压电路的电路原理图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。
一种无人机飞行指标测量装置，其包括存储模块、电气底板及两个通信电台，所述电气底板上设有电池；
所述电气底板包括电源正极、电源负极、软启动和防反接电路、过流和过压保护电路、共模滤波和稳压电路、二次稳压电源电路以及接口转换电路；
所述软启动和防反接电路包括两路场效应管、两只串联在一起的分压电阻、一只充电电容，以及一只稳压二极管；其中，电源正极接到第二路场效应管的漏极，两路场效应管的栅极相连，源极也相连，稳压二极管、充电电容以及一只分压电阻三者并联，并联的一端接两路场效应管的源极，另一端接两路场效应管的栅极，两路场效应管的栅极还通过另一只分压电阻连接电源负极；
所述过流和过压保护电路包括一只自恢复保险丝以及一只瞬变电压抑制二极管，其中，自恢复保险丝串联在电源正极的母线上，瞬变电压抑制二极管并联在电源正极与电源负极之间；
所述共模滤波和稳压电路包括共模滤波以及并联在电源正极与电源负极之间的稳压电容；
所述二次稳压电源电路包括两只开关电源芯片；
所述电气底板将电池输出的电压经过软启动和防反接电路、过流和过压保护电路、共模滤波和稳压电路后生成稳定的低温波电压信号并对外输出；同时，该低温波电压信号还分别通过二次稳压电源电路中的两只开关电源芯片，产生3.3V电源以及所述通信电台和存储模块所需的5V电源；
所述接口转换电路包括TTL转RS422接口电路、串口交叉连接电路以及RS232转TTL接口电路；所述TTL转RS422接口电路的TTL端为对外接口，RS422端连接至所述存储模块；所述串口交叉连接电路对外提供两个TTL接口，这两个TTL接口通过串口交叉连接电路与两个通信电台的第一TTL串口进行交叉连接；所述RS232转TTL接口电路对外提供两个RS232接口，这两个RS232接口通过RS232转TTL接口电路与两个通信电台的第二TTL串口进行交叉连接。
进一步地，还包括GNSS系统，GNSS系统的电源由所述电气底板产生的3.3V电源提供，所述GNSS系统的第一TTL串口与所述接口转换电路中TTL转RS422接口电路的对外接口连接，所述GNSS系统的第二、第三TTL串口与所述接口转换电路中串口交叉连接电路的两个对外TTL接口连接。
进一步地，还包括导航系统，导航系统的电源由所述电气底板产生的低温波电压信号直接提供，所述导航系统输出的两路标准RS232串口信号与所述接口转换电路中RS232转TTL接口电路的两个对外RS232接口连接。
具体来说，如图1所示，一种无人机飞行指标测量装置，其可用于连接现有技术中的高精度组合导航系统或GNSS系统，该装置包括2个通信电台、存储模块、电气底板和电池，存储模块内设有存储卡，高精度组合导航系统、GNSS系统、通信电台均具有天线。
高精度组合导航系统或者GNSS系统可根据用户需求进行选取。若用户只需要位置、速度等信息，则选用GNSS系统，若用户需要位置、速度信息外，还需要姿态、角速度、加速度等信息，则选用组合导航系统。
该装置中，通信电台有两个，其中，一个通信电台用于接收GPS基站通过无线网络传输的差分数据信息，另一个通信电台用于与地面终端进行通信，可辅助用户监测高精度组合导航系统或GNSS系统的状态并进行远程调试。存储模块用于实时接收高精度组合导航系统或GNSS系统的原始数据并保存至存储卡中。电气底板用于产生稳定的二次电源以及接口扩展，其产生的电源包括高精度组合导航系统所需的低温波的9-36V电源、GNSS系统所需要的3.3V电源，以及通信电台和存储模块所需要的5V电源。
具体来说，高精度组合导航系统能够精确测量无人机的位置和姿态信息，GNSS系统可以精确测量无人机的位置信息，用户可以根据测量任务的需要来选择安装组合导航系统或者GNSS系统；通信电台有2个，其中一个用于传输RTK（Real - time kinematic，实时动态）基站数据，另外一个用于地面远程监控；存储模块用于存储高精度组合导航系统或GNSS系统输出的原始数据；电气底板用于将电池电压转换为高精度组合导航系统、GNSS系统、通信电台、存储模块所需要的电压。
所述电气底板包括软启动和防反接保护电路、过流和过压保护电路，以及若干对外接口。通过接插件连接的方式可将通信电台、存储模块以及高精度组合导航系统或GNSS系统安装在电气底板上，并用螺栓紧固。整机对外接口只有电源和存储卡接口，结构简单紧凑，具备较好的易用性。
上述装置中，高精度组合导航系统或GNSS系统可采用诺瓦泰PwrPak7E1或OEM718D板卡，通信电台可采用4G-DTU板卡（型号为MD-149），相关天线可采用BT-560棒状天线。
上述装置中，电气底板将电池输出的电压经过软启动和防反接保护电路、过流和过压保护电路、共模滤波和稳压电路生成稳定的低温波电压信号，该电压信号可以为高精度导航系统直接供电；同时，该电压信号通过两只开关电源芯片，产生GNSS系统所用的3.3V电源以及通信电台和存储模块所用的5V电源。在接口连接方面，GNSS系统的第一TTL串口可通过电气底板上的TTL转RS422接口电路连接至存储模块，GNSS系统的第二、第三TTL串口可通过电气底板分别与两个通信电台的TTL串口进行交叉连接；高精度组合导航系统输出的两路标准RS232串口信号可通过电气底板上的RS232转TTL接口电路与两个通信电台的TTL串口进行交叉连接。
图2所示为GNSS系统与电气底板连接的电路原理图。图中，电池电源输入经过软启动和防反接电路、过流和过压保护电路、共模滤波和稳压电路之后分别通过3.3V开关电源和5V开关电源得到3.3V和5V的电压信号，其中3.3V电压主要用于为GNSS系统供电，5V电压主要用于为通信电台和存储模块供电。GNSS系统的一路TTL串口信号经过TTL转422电路接入存储模块，另外两路TTL串口信号则直接接入两个通信电台。
图3所示为高精度组合导航系统与电气底板连接的电路原理图。图中，电池电源输入经过软启动和防反接电路、过流和过压保护电路、共模滤波和稳压电路之后，一路用于为高精度组合导航系统供电，另一路经过5V开关电源产生5V电压信号用于为通信电台供电，高精度组合导航系统的两路标准232串口信号经过232转TTL电路分别与两个通信电台连接。
图4所示为软启动和防反接保护电路的电路原理图。该电路采用了一片FDS9958_F085芯片，其内部集成有两路P沟道场效应管，该芯片为SO-8封装，具有体积小的优点。其中,输入电源的正极POWER_IN接到第二路场效应管的漏极D2，两路场效应管的栅极G1和G2相连，源极S1和S2也相连，稳压管、充电电容C11以及一只分压电阻R17三者并联，并联的一端接两路场效应管的源极S1和S2，另一端接两路场效应管的栅极G1和G2，此外，栅极G1和G2还连接另外一只分压电阻R18。
该电路的原理为，当电源正常输入时，即D2端为正极，电源电流经过第二路场效应管的内部二极管，流经电阻R17、R18回到电源负极PGND，电阻R17两端的分压即为两路场效应管栅极、源极之间的电压UGS，由于有充电电容C11的作用，电压UGS不能发生突变，而是从0开始逐渐变为负电压，从而使两路场效应管逐渐进入饱和区，导通电阻逐渐变小，起到软启动的作用。当输入端反接时，第二路场效应管的内部二极管直反接向截止，不会产生电流，电源不会流向后续系统，从而起到反接保护的作用。
图5所示为过流和过压保护电路以及共模滤波和稳压电路的电路原理图。其包括贴片自恢复保险丝F1、电容C12～C15、共模滤波器SCM7038f-701-LRH4A（名称同型号）和瞬变电压抑制二极管P6KE30CA（名称同型号）。当电路中存在较大电流时，保险丝会自动切断电源。此外，该电路中，过压保护采用的器件为P6KE30CA，当电压过高时会被钳至30V，同时，该电路还增加了共模滤波器，能够进一步抑制电源噪声。
本装置中用于测量无人机飞行状态的传感器既可以选用GPS板卡级系统，也可以选用高精度组合导航系统。此外，在电气方面，为了增加可靠性以及保护传感器，本装置采用了防反接和软启动电路、过流过压电路、工模滤波电路，同时为了外场作业的方便，GPS差分和实时监控数据均可采用4G通信电台，数据可存储在标准SD中，测试结束后，可以直接拔卡获取数据。本装置中，电气底板上还集成有TTL转RS232电路，既可以连接高精度组合导航系统，也可以连接GPS板卡级系统，而无需增加新的硬件单元。
总之，本装置可搭载在无人机上，对无人机的飞行性能进行综合评估，适用于各类多旋翼、固定翼无人机的飞行性能测试，能够为无人机性能的进一步优化提供可信的参考数据。
需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。
此外，出于简化叙述的目的，本专利也可能没有列举一些寻常的具体实施方案，这些方案是本领域普通技术人员在理解了本专利技术方案后能够自然而然想到的，显然，这些方案也应包含在本专利的保护范围之内。
出于简化叙述的目的，上述各具体实施方式对于技术细节的公开程度可能仅仅达到本领域技术人员可以自行决断的程度，即，对于上述具体实施方式没有公开的技术细节，本领域普通技术人员完全可以在不付出任何创造性劳动的情况下，在本专利技术方案的充分提示下，借助于教科书、工具书、论文、专利、音像制品等等已公开文献予以完成，或者，这些细节是在本领域普通技术人员的通常理解下，可以根据实际情况自行作出决定的内容。可见，即使不公开这些技术细节，也不会对本专利技术方案的公开充分性造成影响。
总之，在结合了本专利说明书对权利要求书保护范围的解释作用的基础上，任何落入本专利权利要求书涵盖范围的具体实施方案，均在本专利的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种无人机飞行指标测量装置，其特征在于，用于连接高精度组合导航系统或GNSS系统，包括存储模块、电气底板及两个通信电台，所述电气底板上设有电池；存储模块内设有存储卡，高精度组合导航系统、GNSS系统、通信电台均具有天线；
所述电气底板包括电源正极、电源负极、软启动和防反接电路、过流和过压保护电路、共模滤波和稳压电路、二次稳压电源电路以及接口转换电路；
所述软启动和防反接电路包括两路场效应管、两只串联在一起的分压电阻、一只充电电容，以及一只稳压二极管；其中，电源正极接到第二路场效应管的漏极，两路场效应管的栅极相连，源极也相连，稳压二极管、充电电容以及一只分压电阻三者并联，并联的一端接两路场效应管的源极，另一端接两路场效应管的栅极，两路场效应管的栅极还通过另一只分压电阻连接电源负极；
所述过流和过压保护电路包括一只自恢复保险丝以及一只瞬变电压抑制二极管，其中，自恢复保险丝串联在电源正极的母线上，瞬变电压抑制二极管并联在电源正极与电源负极之间；
所述共模滤波和稳压电路包括共模滤波以及并联在电源正极与电源负极之间的稳压电容；
所述二次稳压电源电路包括两只开关电源芯片；
所述电气底板将电池输出的电压经过软启动和防反接电路、过流和过压保护电路、共模滤波和稳压电路后生成稳定的低温波电压信号并对外输出；同时，该低温波电压信号还分别通过二次稳压电源电路中的两只开关电源芯片，产生3.3V电源以及所述通信电台和存储模块所需的5V电源；
所述接口转换电路包括TTL转RS422接口电路、串口交叉连接电路以及RS232转TTL接口电路；所述TTL转RS422接口电路的TTL端为对外接口，RS422端连接至所述存储模块；所述串口交叉连接电路对外提供两个TTL接口，这两个TTL接口通过串口交叉连接电路与两个通信电台的第一TTL串口进行交叉连接；所述RS232转TTL接口电路对外提供两个RS232接口，这两个RS232接口通过RS232转TTL接口电路与两个通信电台的第二TTL串口进行交叉连接。
2.根据权利要求1所述的一种无人机飞行指标测量装置，其特征在于，还包括GNSS系统，GNSS系统的电源由所述电气底板产生的3.3V电源提供，所述GNSS系统的第一TTL串口与所述接口转换电路中TTL转RS422接口电路的对外接口连接，所述GNSS系统的第二、第三TTL串口与所述接口转换电路中串口交叉连接电路的两个对外TTL接口连接。
3.根据权利要求1所述的一种无人机飞行指标测量装置，其特征在于，还包括导航系统，导航系统的电源由所述电气底板产生的低温波电压信号直接提供，所述导航系统输出的两路标准RS232串口信号与所述接口转换电路中RS232转TTL接口电路的两个对外RS232接口连接。
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