CN111045454B - 一种基于仿生自主导航的无人机自驾仪 - Google Patents
一种基于仿生自主导航的无人机自驾仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于仿生自主导航的无人机自驾仪，由两个微控制器、惯性测量单元、仿生偏振传感器、地磁传感器、卫星导航模块、大气数据系统、光流传感器、视觉传感器、接口电路、数据存储单元及电源稳压模块等组成。本发明采用了仿生偏振/惯性/地磁/大气/卫星/光流/视觉的组合导航方式，可在卫星导航信号拒止、外界电磁干扰情况下，能够借助多源导航信息，实现多种组合导航模式的智能切换，实现无人机运动信息的抗干扰信息融合。此外，本发明通过双处理器协同分工，提高了无人机自驾仪导航与控制效率，进一步提高了无人机的可靠性和抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及无人机导航、制导与控制技术领域，尤其涉及一种用于长航时中小型固定翼、多旋翼无人机自动驾驶仪。
背景技术
随着无人机技术的发展，其在人类生活各个领域展现了不可替代的作用，已经成为国防、经济等领域的重要装备。无人机是全球新一轮科技革命和产业革命的热点，其产业发展关乎国家利益、公民权益。无人机可实现远距离资源勘探、物资运输、地图测绘等多功能作业，在通信、气象、海洋、影视、执法、救援等领域具有巨大的应用前景与潜力。无人机代表着未来通用航空业的发展方向，将成为中国经济增长的新动力。
无人机自动驾驶仪是无人机系统的核心关键技术，具有导航、制导与控制的功能。目前，现有无人机自驾仪导航系统大多依赖于惯性/卫星/地磁的组合导航方式，如已授权中国专利CN201210548065.0《一种用于固定翼和四旋翼无人机的自动驾驶仪》、已受理中国专利CN201710033304.1《油动多旋翼无人机自动驾驶仪》等。上述的导航方式在某些情况下存在局限性：惯性导航虽然具有很强的自主性，但长时间使用具有较大的累计误差，难以适应无人机长航时的需求，需借助外部导航信息及时进行修正。卫星、地磁等导航方式在某些场景极易受到电磁干扰，如高楼林立、电网巡线、铁矿探测等使用场景，将严重干扰到无人机导航系统，对无人机及其周围环境、人员造成极大的安全隐患。
近年来仿生偏振光导航逐渐成为自主导航领域的研究热点，其具有误差不随时间积累、不易受电磁干扰、自主性强的优点，是一种新型的自主导航方式。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有无人机自驾仪导航系统容易受到GNSS信号拒止、电磁信号干扰的缺点，解决中小型无人机长航时自主导航问题，通过多源导航信息智能融合，提高无人机导航系统精度和抗干扰能力。同时解决以往串行通信传输速度慢、抗干扰能力差的问题。
本发明的技术解决方案是：一种基于仿生自主导航的无人机自驾仪，包括：第一微控制器、第二微控制器、惯性测量单元、卫星导航模块、第一接口电路、第二接口电路、数据存储单元及电源稳压模块；
第一微控制器：负责无人机捷联导航解算和无人机控制，与惯性测量单元和第一接口电路相连；第一微控制器负责采集惯性测量单元导航数据，进行捷联导航解算；同时第一微控制器负责无人机控制，通过第一接口电路接收遥控信号，控制电调、舵机外部执行机构；
第二微控制器：负责无人机组合导航滤波解算，与卫星导航模块、数据存储单元、第二接口电路相连；第二微控制器负责采集卫星导航模块的GNSS位置和速度信息，通过第二接口电路采集外部传感器数据，包括仿生偏振传感器的偏振角及偏振度信息、地磁传感器的三轴磁强信息、光流传感器的光流速度信息、视觉传感器的相对位置信息和大气数据系统的动压、静压及温湿度，将上述数据代入卡尔曼滤波器中进行组合导航信息融合，修正捷联解算得到的姿态、速度和位置；
所述第一微控制器与第二微控制器通过分工和协作共同完成导航制导与控制任务；两微控制器之间通过串口相互通信，用于交换导航数据、控制指令和飞控状态信息；
外部传感器：包括仿生偏振传感器、地磁传感器、大气数据系统、光流传感器和视觉传感器；
数据存储单元：与第二微控制器相连，用于存储航点信息、实时记录导航数据；
电源稳压模块负责给系统各个模块提供稳定可靠的直流电源。
采用了仿生自主导航技术，与传统的导航方式相比，在受到电磁干扰、GNSS信号拒止条件下，可以融合多源传感器导航信息，保证无人机姿态、速度、位置等导航信息的可靠性。利用惯性测量单元提供的重力信息和仿生偏振传感器提供的大气偏振分布模式信息修正捷联解算的姿态与航向漂移，利用光流传感器提供的光流速度信息和大气数据系统提供的空速信息保证速度信息可靠性，利用视觉传感器的视觉里程计信息保证水平位置信息准确性，利用大气数据系统提供的静压信息保证高度信息准确性。
所述第一接口电路包括：第一串行通信接口、PWM接口、第一CAN FD接口和S.Bus接口；其中第一串行通信接口用于与外部数传电台通信；PWM接口由光耦隔离电路组成，用于驱动外部电调、舵机等执行机构；第一CAN FD接口由支持CAN FD协议的隔离收发器组成，用于与外部支持CAN或CAN FD总线协议的电调、舵机等执行机构通信；S.Bus接口由TTL反相电路组成，与遥控器接收机相连，用于接收地面操控手遥控指令。
所述数据存储单元由NAND FLASH闪存芯片和TF内存卡组成，其中NAND FLASH闪存芯片用于存储航点信息，TF内存卡用于实时记录导航数据。
所述第二接口电路由第二串行通信接口、第二CAN FD接口组成，第二串行通信接口用于与外部数传电台通信，第二CAN FD接口与CAN FD总线相连，用于采集仿生偏振传感器、地磁传感器、光流传感器、视觉传感器和大气数据系统数据。
所述第一微控制器、第二微控制器之间通过TTL电平的串口协议相互通信，用于交换导航数据、控制指令和飞控状态。
所述卫星导航模块具备RTK功能，在有地面GNSS基准站的情况下，进一步提升定位精度；卫星导航模块的TX引脚用于发送NMEA定位报文，与第二微控制器的串口RX引脚相连；卫星导航模块的RX引脚用于接收RTCM差分报文，与RCTM差分链路相连。
所述大气数据系统包括：气压计、空速计、温湿度计及攻角、侧滑角传感器；其中气压计采集大气压强，用于计算无人机海拔高度；空速计采集动压，用于计算无人机空速；温湿度计采集大气的温度和湿度，用于计算大气密度；攻角、侧滑角传感器采集无人机攻角与侧滑角信息，用于计算飞机机体与气流的相对关系。
所述第一CAN FD接口和第二CAN FD接口由支持CAN FD协议的收发器组成，第一CAN FD接口和第二CAN FD接口向前兼容CAN总线通信协议，并在此基础上将数据段传输速率提高至5Mbps，数据场长度提升至64Byte，CAN FD协议采用CRC校验规则，提高总线通信的可靠性及抗干扰能力。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明借助惯性、仿生偏振、地磁、大气数据系统、光流、视觉、卫星等多种导航方式，进行导航信息融合，保证姿态、速度、位置等导航信息可靠性，提高无人机导航系统自主性和抗干扰能力。
(2)本发明通过双处理器协同分工，将捷联解算、卡尔曼组合导航信息融合滤波、飞行控制进行分离计算，提高自驾仪导航与控制的效率。
(3)本发明采用CAN FD总线与外部传感器和执行机构进行通信，方便外扩其他外部传感器。提高了通信效率和通信速度，采用更可靠的CRC校验规则，提高了总线通信抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明结构框图。
其中：电源稳压模块1，第一接口电路2，S.Bus接口3，第一串行通信接口4，PWM接口5，第一CAN FD接口6，第一微控制器7，惯性测量单元8，第二微控制器9，卫星导航模块10，数据存储单元11，TF内存卡12，NAND FLASH闪存芯片13，第二接口电路14，第二CAN FD接口15，第二串行通信接口16，仿生偏振传感器17，地磁传感器18，光流传感器19，视觉传感器20，大气数据系统21，气压计22，空速计23，温湿度计24，攻角、侧滑角传感器25，外部传感器26，遥控器接收机27，外部数传电台一28，电调、舵机等执行机构29，电调、舵机等执行机构通信30，RCTM差分链路31，外部数传电台二32、CAN FD总线33。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明一种基于仿生自主导航的无人机自驾仪包括第一微控制器7、第二微控制器9、惯性测量单元8、卫星导航模块10、第一接口电路2、第二接口电路14、数据存储单元11及电源稳压模块1；
第一微控制器7主要负责无人机捷联导航解算和无人机控制，与惯性测量单元8和第一接口电路2相连；第一微控制器7负责采集惯性测量单元8导航数据，进行捷联导航解算；同时第一微控制器7负责无人机控制，通过第一接口电路2接收遥控信号，控制电调、舵机等外部执行机构；
第二微控制器9主要负责无人机组合导航滤波解算，与卫星导航模块10、数据存储单元11、接口电路2、14相连；第二微控制器9负责采集卫星导航模块10的GNSS位置和速度信息，通过第二接口电路14采集外部传感器26数据，包括仿生偏振传感器17的偏振角及偏振度信息、地磁传感器18的三轴磁强信息、光流传感器19的光流速度信息、视觉传感器20的相对位置信息和大气数据系统21的动压、静压及温湿度等，将上述数据代入卡尔曼滤波器中进行组合导航信息融合，修正捷联解算得到的姿态、速度、位置；
所述第一微控制器7与第二微控制器9通过分工和协作共同完成导航制导与控制任务；两微控制器之间通过串口相互通信，用于交换导航数据、控制指令和飞控状态等信息；
外部传感器26包括仿生偏振传感器17、地磁传感器18、大气数据系统21、光流传感器19和视觉传感器20等；数据存储单元11与第二微控制器9相连，用于存储航点信息、实时记录导航数据；电源稳压模块1负责给系统各个模块提供稳定可靠的直流电源。
进一步地，无人机自驾仪采用了仿生自主导航技术，与传统的导航方式相比，在受到电磁干扰、GNSS信号拒止条件下，可以融合多源传感器导航信息，保证无人机姿态、速度、位置等导航信息的可靠性。利用惯性测量单元8提供的重力信息和仿生偏振传感器17提供的大气偏振分布模式信息修正捷联解算的姿态与航向漂移，利用光流传感器19提供的光流速度信息和大气数据系统21提供的空速信息保证速度信息可靠性，利用视觉传感器20的视觉里程计信息保证水平位置信息准确性，利用大气数据系统21提供的静压信息保证高度信息准确性。
进一步地，所述第一接口电路2包括：第一串行通信接口4、PWM接口5、第一CAN FD接口6和S.Bus接口3；其中第一串行通信接口4用于与外部数传电台一28通信；PWM接口5由光耦隔离电路组成，用于驱动外部电调、舵机等执行机构29；CAN FD接口16由支持CAN FD协议的隔离收发器组成，用于与外部支持CAN或CAN FD总线协议的电调、舵机等执行机构通信30；S.Bus接口3由TTL反相电路组成，与遥控器接收机27相连，用于接收地面操控手遥控指令。
进一步地，所述数据存储单元11由NAND FLASH闪存芯片13和TF内存卡12组成，其中，NAND FLASH闪存芯片13用于存储航点信息，TF内存卡12用于实时记录导航数据。
进一步地，所述第二接口电路14由第二串行通信接口16、第二CAN FD接口15组成，第二串行通信接口16用于与外部数传电台二32通信，第二CAN FD接口15与CAN FD总线33相连，用于采集仿生偏振传感器17、地磁传感器18、光流传感器19、视觉传感器20和大气数据系统21数据。
进一步地，所述第一微控制器7、第二微控制器9之间通过TTL电平的串口协议相互通信，用于交换导航数据、控制指令和飞控状态。
进一步地，所述卫星导航模块10具备RTK功能，在有地面GNSS基准站的情况下，进一步提升定位精度；卫星导航模块10的TX引脚用于发送NMEA定位报文，与第二微控制器9的串口RX引脚相连；卫星导航模块10的RX引脚用于接收RTCM差分报文，与RCTM差分链路31相连。
进一步地，所述大气数据系统21包括：气压计22、空速计23、温湿度计24及攻角、侧滑角传感器25；其中气压计22采集大气压强，用于计算无人机海拔高度；空速计23采集动压，用于计算无人机空速；温湿度计24采集大气的温度和湿度，用于计算大气密度；攻角、侧滑角传感器25采集无人机攻角与侧滑角信息，用于计算飞机机体与气流的相对关系。
进一步地，所述第一CAN FD接口6和第二CAN FD接口15由支持CAN FD协议的收发器组成，第二CAN FD接口6和第二CAN FD接口15向前兼容CAN总线通信协议，并在此基础上将数据段传输速率提高至5Mbps，数据场长度提升至64Byte，CAN FD协议采用CRC校验规则，提高总线通信的可靠性及抗干扰能力。
系统开始上电工作后，由第一微控制器7完成初始对准，接着将实时采集惯性测量单元8中的陀螺仪和加速度信息，进行捷联解算得到姿态、速度、位置信息，并将其发送至第二微控制器9；第二微控制器9同步采集卫星导航模块10的GNSS位置、速度信息，以及外部传感器26的各种数据，将其代入卡尔曼滤波器中，得到姿态、速度、位置修正量，将其发送至第一微控制器7；第一微控制器7同时还将负责无人机姿态、位置等控制，执行航迹规划、制导律计算等工作。
以上是所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改动应视为本发明的保护范围。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (2)
1.一种基于仿生自主导航的无人机自驾仪，其特征在于，包括：第一微控制器(7)、第二微控制器(9)、惯性测量单元(8)、卫星导航模块(10)、第一接口电路(2)、第二接口电路(14)、数据存储单元(11)及电源稳压模块(1)；
第一微控制器(7)：负责无人机捷联导航解算和无人机控制，与惯性测量单元(8)和第一接口电路(2)相连；第一微控制器(7)负责采集惯性测量单元(8)导航数据，进行捷联导航解算；同时第一微控制器(7)负责无人机控制，通过第一接口电路(2)接收遥控信号，控制外部执行机构；
第二微控制器(9)：负责无人机组合导航滤波解算，与卫星导航模块(10)、数据存储单元(11)、第二接口电路(14)相连；第二微控制器(9)负责采集卫星导航模块(10)的GNSS位置和速度信息，通过第二接口电路(14)采集外部传感器(26)数据，包括仿生偏振传感器(17)的偏振角及偏振度信息、地磁传感器(18)的三轴磁强信息、光流传感器(19)的光流速度信息、视觉传感器(20)的相对位置信息和大气数据系统(21)的动压、静压及温湿度，将上述数据代入卡尔曼滤波器中进行组合导航信息融合，修正捷联解算得到的姿态、速度和位置；
所述第一微控制器(7)与第二微控制器(9)通过分工和协作共同完成导航制导与控制任务；第一微控制器(7)与第二微控制器(9)之间通过TTL电平的串口协议相互通信，用于交换导航数据、控制指令和飞控状态信息；
第一接口电路(2)包括：第一串行通信接口(4)、PWM接口(5)、第一CAN FD接口(6)和S.Bus接口(3)；其中第一串行通信接口(4)用于与外部数传电台一(28)通信；PWM接口(5)由光耦隔离电路组成，用于驱动外部电调、舵机等执行机构(29)；第一CAN FD接口(6)由支持CAN FD协议的隔离收发器组成，用于与外部支持CAN或CAN FD总线协议的电调、舵机等执行机构通信；S.Bus接口(3)由TTL反相电路组成，与遥控器接收机(27)相连，用于接收地面操控手遥控指令；
第二接口电路(14)包括第二串行通信接口(16)、第二CAN FD接口(15)；第二串行通信接口(16)用于与外部数传电台二(32)通信，第二CAN FD接口(15)与CAN FD总线(33)相连，用于采集仿生偏振传感器(17)、地磁传感器(18)、光流传感器(19)、视觉传感器(20)和大气数据系统(21)数据；外部传感器(26)：包括仿生偏振传感器(17)、地磁传感器(18)、大气数据系统(21)、光流传感器(19)和视觉传感器(20)；
数据存储单元(11)：包括NAND FLASH闪存芯片(13)和TF内存卡(12)，与第二微控制器(9)相连，NAND FLASH闪存芯片(13)用于存储航点信息，TF内存卡(12)用于实时记录导航数据；
电源稳压模块(1)负责给系统各个模块提供稳定可靠的直流电源；
卫星导航模块(10)具备RTK功能，在有地面GNSS基准站的情况下，进一步提升定位精度；卫星导航模块(10)的TX引脚用于发送NMEA定位报文，与第二微控制器(9)的串口RX引脚相连；卫星导航模块(10)的RX引脚用于接收RTCM差分报文，与RCTM差分链路(31)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿生自主导航的无人机自驾仪，其特征在于：所述大气数据系统(21)包括：气压计(22)、空速计(23)、温湿度计(24)及攻角、侧滑角传感器(25)；气压计(22)采集大气压强，用于计算无人机海拔高度；空速计(23)采集动压，用于计算无人机空速；温湿度计(24)采集大气的温度和湿度，用于计算大气密度；攻角、侧滑角传感器(25)采集无人机攻角与侧滑角信息，用于计算飞机机体与气流的相对关系；
当无人机自驾仪受到电磁干扰或者GNSS信号拒止时，系统进入仿生自主导航模式，利用惯性测量单元(8)提供的重力信息和仿生偏振传感器(17)提供的大气偏振分布模式信息修正捷联解算的姿态与航向漂移，利用光流传感器(19)提供的光流速度信息和大气数据系统(21)提供的空速信息保证速度信息可靠性，利用视觉传感器(20)的视觉里程计信息保证水平位置信息准确性，利用大气数据系统(21)提供的静压信息保证高度信息准确性。
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