CN110764525A - 基于天通一号的无人机飞控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于天通一号的无人机飞控系统，所述系统包括控制模块和飞行模块，所述控制模块包括微处理器及分别与微处理器连接的航姿测量装置、位置锁定装置、油门、航向陀螺仪、第一定高装置、第一天通一号卫星通信装置；所述飞行模块包括处理器、无刷电机及分别与处理器连接的第二定高装置、电机调速装置、第二天通一号卫星通信装置，所述无刷电机与电机调速装置连接；第一天通一号卫星通信装置与第二天通一号卫星通信装置结构相同，所述第一天通一号卫星通信装置包括射频收发器、基带处理芯片、动态存储器、晶振、射频功率放大器、射频开关、卫星天线、以及电源模块；实现对无人机中各种飞行姿态的准确控制。
Description
技术领域
本发明涉及通信设备技术领域，特别是一种基于天通一号的无人机飞控系统。
背景技术
就目前情形，无人机的发展是不可或缺的，现如今也广泛应用在海洋领域。如果在海上船只出现突发事故，无人机可以迅速反应短时间飞抵现场，利用准确的姿态角度进行拍摄采集现场数据，将现场的信息及时反馈给应急救援中心，供决策者分析判断。但是无人机深受环境影响，在夜间，大雪，大雾及大风等恶劣的环境下均无法正常执行任务。在暴风雪天气，无人机发出的状态信号和操控人员发出的遥控信号很快衰减，大大降低无人机的操纵性能，影响飞行。海上电子产品多，电子干扰对无人机也是一种挑战，由于无人机对电磁环境要求很高，遇到攻击性干扰后，易发生失控，自毁现象。
随着科学技术的发展，比如计算机技术、控制技术以及无线电技术等方面的全面快速发展，无人机也加入快速发展之列。其中无人机飞控系统，决定着性能的稳定性和数据传输的时效性和准确性，随着微电子和制造工艺的发展，飞控系统正朝着功耗低和性能高等方向发展。
本专利采用天通一号卫星辅助无人机飞行控制系统进行位置定位，保证数据传输的实时性和高效性，为无人机提供位置、速度和飞行姿态，引导无人机安全、及时、准确地沿着指定路线飞行。在天通一号卫星覆盖范围内，无人机可以克服任何复杂地理条件的影响，减少任何自然灾害或人为事件对两个通信点之间的影响，保证了天通一号卫星具有高通信质量和高系统可靠性的特点。
发明内容
为克服上述问题，本发明的目的是提供一种基于天通一号的无人机飞控系统，保证数据传输的实时性和高效性，无人机飞行更加安全。
本发明采用以下方案实现：一种基于天通一号的无人机飞控系统，所述装置包括控制模块和飞行模块，所述控制模块包括微处理器及分别与微处理器连接的航姿测量装置、位置锁定装置、油门、航向陀螺仪、第一定高装置、第一天通一号卫星通信装置；所述飞行模块包括处理器、无刷电机及分别与处理器连接的第二定高装置、电机调速装置、第二天通一号卫星通信装置，所述无刷电机与所述电机调速装置连接；所述微处理器与所述处理器连接，第一天通一号卫星通信装置与第二天通一号卫星通信装置结构相同，所述第一天通一号卫星通信装置包括射频收发器、基带处理芯片、动态存储器、晶振、射频功率放大器、射频开关、卫星天线、以及电源模块；所述基带处理芯片与所述微处理器连接，所述射频收发器、动态存储器、电源模块与所述基带处理芯片连接，所述晶振、射频功率放大器均与所述射频收发器连接，所述卫星天线经射频开关与所述射频收发器连接。
进一步的，所述位置锁定装置包括具有导航定位功能的SOC基带芯片、第一三轴数字硅微MEMS陀螺仪、第一三轴高精度数字加速度计；所述第一三轴数字硅微MEMS陀螺仪、第一三轴高精度数字加速度计相连接再与所述微处理器连接，所述SOC基带芯片与所述微处理器连接。
进一步的，所述第一定高装置和第二定高装置结构相同，所述第一定高装置包括气压计传感器和超声波传感器；所述气压计传感器和超声波传感器均与所述微处理器连接。
进一步的，所述电机调速装置采用直流电机调速器。
进一步的，所述航姿测量装置包括温度传感器、第二三轴数字硅微MEMS陀螺仪、第二三轴高精度数字加速度计、电子磁场计；所述温度传感器、第二三轴数字硅微MEMS陀螺仪、第二三轴高精度数字加速度计、电子磁场计均与所述微处理器连接。
本发明的有益效果在于：针对我国“天通一号”自主卫星移动通信系统进行适应性改造，将“天通一号”卫星移动通信装置与无人机飞控系统进行集成，解决适用于无人机平台的轻小型超视距通信问题，实现目标通信数据的可靠传输，为海上作业用户提供便利的信息回传，为海上系统提供一种低成本、随遇接入、按需服务、安全实时的通信保障手段，满足远程监控和跟踪管理、海上安保、海上综合维权执法、以及海上各类突发事件的快速应急处置需求，提升我国海上搜救能力及远洋航运的安全性。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明的第一天通一号卫星通信装置结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
请参阅图1和图2所示，本发明提供了一种基于天通一号的无人机飞控系统，所述系统包括控制模块和飞行模块，所述控制模块包括微处理器及分别与微处理器连接的航姿测量装置、位置锁定装置、油门、航向陀螺仪、第一定高装置、第一天通一号卫星通信装置；所述飞行模块包括处理器、无刷电机及分别与处理器连接的第二定高装置、电机调速装置、第二天通一号卫星通信装置，所述无刷电机与所述电机调速装置连接；所述微处理器与所述处理器连接，第一天通一号卫星通信装置与第二天通一号卫星通信装置结构相同，所述第一天通一号卫星通信装置包括射频收发器、基带处理芯片、动态存储器、晶振、射频功率放大器、射频开关、卫星天线、以及电源模块；所述基带处理芯片与所述微处理器连接，所述射频收发器、动态存储器、电源模块与所述基带处理芯片连接，所述晶振、射频功率放大器均与所述射频收发器连接，所述卫星天线经射频开关与所述射频收发器连接。
其中，微处理器或者处理器采集到各个传感器的数据信号后，将数据信号发送给基带处理芯片，之后基带处理芯片合成即将发射的基带信号。在发射信号时，基带处理芯片把信号编译成用来发射的基带码，也可以对文字信息和图片信息等进行编译。晶振产生中央处理器执行指令所需的时钟频率信号，时钟信号的频率越高， MCU运行速度也能变得越快。晶振提供了基本的时钟信号，让天通一号卫星通信装置各部分可以保持同步。动态存储器SDRAM用于存储一些需要传输的数据、接收到的指令和控制信息等。射频收发器用来处理接收信号和发送信号，它有一条发射通道和一条接收通道。射频收发器通过所述射频开关来切换通道。射频收发器获得基带处理芯片的基带码发送给射频功率放大器，射频功率放大器对信号进行调制或者数模转换，之后上变频到一定的射频频段后进行功率放大。射频功率放大器进行信号放大后将数据信号经过通信天线发送给天通一号，借助天通一号的通信功能，让天通一号进行数据中转后将信号发送到地面远程救援中心；所述射频收发器型号为MSR01B，所述基带处理芯片型号为MSB01A。
在本发明中，所述位置锁定装置包括具有导航定位功能的SOC基带芯片、第一三轴数字硅微MEMS陀螺仪、第一三轴高精度数字加速度计；所述第一三轴数字硅微MEMS陀螺仪、第一三轴高精度数字加速度计相连接再与所述微处理器连接，所述SOC基带芯片与所述微处理器连接。
所述第一定高装置和第二定高装置结构相同，所述第一定高装置包括气压计传感器和超声波传感器；所述气压计传感器和超声波传感器均与所述微处理器连接。气压计传感器型号为ms5611，超声波传感器型号为hc-sr04。飞行模块在高空飞行时,采用气压计传感器进行定高；在低空飞行时，采用超声波传感器进行定高。定高装置通过超声波传感器（测量与地面的距离）或者是气压计（高度会影响大气压的变化）测量无人机当前所在高度的，由天通一号卫星测量无人机当前水平位置，最终确定无人机所在高度。所述电机调速装置采用直流电机调速器。
所述航姿测量装置包括温度传感器、第二三轴数字硅微MEMS陀螺仪、第二三轴高精度数字加速度计、电子磁场计；所述温度传感器、第二三轴数字硅微MEMS陀螺仪、第二三轴高精度数字加速度计、电子磁场计均与所述微处理器连接。
作为优选，航向陀螺仪有两种类型：1、直读式航向陀螺仪，又称陀螺半罗盘。2、远读式航向陀螺仪。所述处理器为ARM处理器，所述微处理器为SAMV71Q21微处理器；所述位置锁定装置包括天通卫星通信系统中的具有导航定位功能的SOC基带芯片、第一三轴数字硅微MEMS陀螺仪，第二三轴数字硅微MEMS陀螺仪均采用PA-3ARG-01D型号、第一三轴高精度数字加速度计，第二三轴高精度数字加速度计均采用PA－LAMIII-01D型号。位置锁定装置实时采集飞行模块的位置信息，利用天通一号的定位功能，在飞行模块上实现授时，单点定位，连续定位和导航功能，锁定飞行模块所在的空间位置。
本发明的工作原理如下：利用航姿测量装置中三轴数字硅微MEMS陀螺仪传感器分别采集控制模块在X、Y、Z轴上的加速度以及控制模块绕三轴旋转的角速度,发送给微处理器,经过温度补偿和磁场校准后进行姿态估计，得出可以控制驱动无刷电机的欧拉角(即橫滚角(θ)、俯仰角(v)和航向角(φ))。通过电子磁场计实时检测飞行时的磁场信息、控制模块运行的姿态和利用温度传感器实时监测环境温度，发送给微处理器进行实时操作, 三轴数字硅微MEMS陀螺仪利用微处理器传输的温度信息进行温度漂移补偿，然后根据磁场信息实时校准输岀时的数据。最后，由天通一号卫星通信系统输出最终的姿态数据，控制驱动无刷电机的欧拉角；油门、航向陀螺仪和第一定高装置实时监测飞行器的油门值、航向角和高度值，并将数据及时发送至微处理器；微处理器对接收的信息进行处理，将处理后的油门值、航向角和高度值包装并通过第一天通一号卫星通信装置发送至飞行模块,飞行模块接收控制模块发送过来的数据的同时读取其自身的第二定高装置和电子磁场计采集的高度和磁场数据发送给处理器，通过处理器算岀六路PWM值，分别输出调制信号至无刷电机，使无刷电机完成飞行模块的平衡控制以及偏航、横滚、俯仰等空间六自由度的动作。
本发明利用天通一号卫星通信装置进行数据传输,通过联系控制器和无人机，使得通过控制控制器就相当于控制无人机的飞行姿态。通过控制器搜集并处理姿态数据和设定初始数值，之后再通过处理器融合无人机接收的数据与其自身采集的数据，然后处理融合后的数据，处理完成之后发出控制信号，然后无人机完成既定的目标姿态运动。本发明提高了整个飞行系统的运行效率，在一定程度上减轻了无人机飞行时的负担，为拓展其它功能的提供了基础。相比其它的飞控系统，此系统结构更简单，更容易实现，降低了普通用户对无人机的控制难度。
总之，本发明利用天通一号的卫星通信系统双模动中通天线设计技术 ，针对“天通一号”卫星移动通信系统不具备全球波束，解决“动中通”天线在横滚的微小波动和高仰角位置情况下都能实时对准卫星的技术问题，实现飞控系统实时采集各传感器测量的飞行状态数据、接收无线电测控终端传输的由地面测控站上行信道送来的控制命令及数据，实现对无人机中各种飞行姿态的准确控制和对任务设备的管理与控制，便于了解飞行过程中的实时状况，及时给予可行的解决方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种基于天通一号的无人机飞控系统，其特征在于：所述系统包括控制模块和飞行模块，所述控制模块包括微处理器及分别与微处理器连接的航姿测量装置、位置锁定装置、油门、航向陀螺仪、第一定高装置、第一天通一号卫星通信装置；所述飞行模块包括处理器、无刷电机及分别与处理器连接的第二定高装置、电机调速装置、第二天通一号卫星通信装置，所述无刷电机与所述电机调速装置连接；所述微处理器与所述处理器连接，第一天通一号卫星通信装置与第二天通一号卫星通信装置结构相同，所述第一天通一号卫星通信装置包括射频收发器、基带处理芯片、动态存储器、晶振、射频功率放大器、射频开关、卫星天线、以及电源模块；所述基带处理芯片与所述微处理器连接，所述射频收发器、动态存储器、电源模块与所述基带处理芯片连接，所述晶振、射频功率放大器均与所述射频收发器连接，所述卫星天线经射频开关与所述射频收发器连接；所述控制模块利用航姿测量装置中三轴数字硅微MEMS陀螺仪传感器分别采集控制模块在X、Y、Z轴上的加速度以及控制模块绕三轴旋转的角速度,发送给微处理器，经过温度补偿和磁场校准后进行无人机姿态估计，得出控制驱动无刷电机的欧拉角；通过航姿测量装置的电子磁场计实时检测飞行时的磁场信息、控制模块运行的姿态和利用温度传感器实时监测环境温度，发送给微处理器进行实时操作,所述三轴数字硅微MEMS陀螺仪利用微处理器传输的温度信息进行温度漂移补偿，然后根据磁场信息实时校准输岀时的数据；最后，由天通一号卫星通信系统输出最终的姿态数据，控制驱动无刷电机的欧拉角；油门、航向陀螺仪和第一定高装置实时监测飞行模块的油门值、航向角和高度值，并将数据及时发送至微处理器；微处理器对接收的数据进行处理，将处理后的油门值、航向角和高度值包装并通过第一天通一号卫星通信装置发送至飞行模块,飞行模块接收控制模块发送过来的数据的同时读取其自身的第二定高装置和电子磁场计采集的高度和磁场数据发送给处理器，通过处理器算岀六路PWM值，分别输出调制信号至无刷电机，使无刷电机完成飞行模块的平衡控制以及偏航、横滚、俯仰空间六自由度的动作。
2.根据权利要求1所述的基于天通一号的无人机飞控系统，其特征在于：所述第一天通一号卫星通信装置具体工作方式为：所述微处理采集到各个传感器的数据信号后，将数据信号发送给基带处理芯片，之后基带处理芯片合成即将发射的基带信号，在发射信号时，基带处理芯片把信号编译成用来发射的基带码，同时能对文字信息和图片信息进行编译；晶振产生中央处理器执行指令所需的时钟频率信号，时钟信号的频率越高，微处理运行速度也能变得越快，晶振提供了基本的时钟信号，让第一天通一号卫星通信装置各部分保持同步，动态存储器SDRAM用于存储一些需要传输的数据、接收到的指令和控制信息，射频收发器用来处理接收信号和发送信号，射频收发器有一条发射通道和一条接收通道，射频收发器通过所述射频开关来切换通道，射频收发器获得基带处理芯片的基带码发送给射频功率放大器，射频功率放大器对信号进行调制或者数模转换，之后上变频到一定的射频频段后进行功率放大，射频功率放大器进行信号放大后将数据信号经过通信天线发送给天通一号，借助天通一号的通信功能，让天通一号进行数据中转后将信号发送到地面远程救援中心。
3.根据权利要求1所述的基于天通一号的无人机飞控系统，其特征在于：所述位置锁定装置包括具有导航定位功能的SOC基带芯片、第一三轴数字硅微MEMS陀螺仪、第一三轴高精度数字加速度计；所述第一三轴数字硅微MEMS陀螺仪、第一三轴高精度数字加速度计相连接再与所述微处理器连接，所述SOC基带芯片与所述微处理器连接；位置锁定装置实时采集飞行模块的位置信息，利用天通一号的定位功能，在飞行模块上实现授时、单点定位、连续定位和导航功能，从而锁定飞行模块所在的空间位置。
4.根据权利要求1所述的基于天通一号的无人机飞控系统，其特征在于：所述第一定高装置和第二定高装置结构相同，所述第一定高装置包括气压计传感器和超声波传感器；所述气压计传感器和超声波传感器均与所述微处理器连接。
5.根据权利要求1所述的基于天通一号的无人机飞控系统，其特征在于：所述电机调速装置采用直流电机调速器。
6.根据权利要求1所述的基于天通一号的无人机飞控系统，其特征在于：所述航姿测量装置包括温度传感器、第二三轴数字硅微MEMS陀螺仪、第二三轴高精度数字加速度计、电子磁场计；所述温度传感器、第二三轴数字硅微MEMS陀螺仪、第二三轴高精度数字加速度计、电子磁场计均与所述微处理器连接。
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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 | ||
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