CN111506004A - 一种无人机飞行器控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无人机飞行器控制系统，该系统包括：IMU板、DSP模块、RTK高精度定位插板、MCU模块和无线传输插板。所述IMU板、所述RTK高精度定位插板和所述无线传输插板均与所述DSP模块连接；所述DSP模块与所述MCU模块连接。本发明提供的无人机飞行器控制系统通过采用DSP模块驱动IMU板、RTK高精度定位插板和无线传输插板，并采集IMU板、RTK高精度定位插板和无线传输插板中的数据，能够提高系统的运行效率。通过采用DSP模块和MCU模块“双核”设计的方式，能够提高系统运行的稳定性。并且，所采用的器件均是常规部件，能够进一步系统整体功耗和制备成本。

Description

一种无人机飞行器控制系统
技术领域
本发明涉及无人机控制装置领域，特别是涉及一种无人机飞行器控制系统。
背景技术
无人机能够飞行的核心是飞行控制系统，主要是依靠传感器系统获取位姿信息并反馈到微处理器(MCU)进行控制系统的运算。飞控系统的设计主要负责搭建合理的飞控流程，使各功能模块协调有效的工作。是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统。
飞控一般包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分，实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。飞控系统的硬件包括：主控制模块、信号调理及接口模块、数据采集模块以及舵机驱动模块等。各个功能模块组合在一起，构成飞行控制系统的核心。
目前常见的无人机飞控系统多采用单处理器，即单个MCU作为全飞控系统的处理器，同时兼顾数据采集、数据运算功能，占用了大量计算资源。这样的构型对于处理器的要求较高，处理器的损耗、功耗也较高，且系统稳定性一般。
并且，基于ARM架构的微处理器采用顺序执行的模式，而飞控板上传感器外设众多，如果采用顺序采集，那么数采的实时性、容错率、采集效率较低。
除此之外，大多数飞控系统缺少无线通信模块或通信功能较弱，更不具备在嵌入式级实现通信组网的可能。
因此，设计一种计算效率高、稳定性强、并行性强、高实时性且具备较强通信组网能力的飞控系统，具备较强的实际意义和研发价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人机飞行器控制系统，以在提高系统的运行效率和稳定性的同时，降低系统整体功耗和制备成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种无人机飞行器控制系统，包括：IMU板、DSP模块、RTK高精度定位插板、MCU模块和无线传输插板；
所述IMU板、所述RTK高精度定位插板和所述无线传输插板均与所述DSP模块连接；所述DSP模块与所述MCU模块连接；
所述IMU板用于确定无人机的姿态和位置；所述无线传输插板用于实现所述MCU模块与地面站之间的数据传输；所述RTK高精度定位插板用于获取所述无人机的GPS坐标信息；所述DSP模块用于驱动所述IMU板、所述RTK高精度定位插板和所述无线传输插板，并用于采集所述IMU板、所述RTK高精度定位插板和所述无线传输插板中的数据；所述MCU模块用于对所述DSP模块采集的数据进行处理，并用于生成控制信号。
优选的，所述IMU板包括：加速度计、陀螺仪和磁力计；
所述加速度计、所述陀螺仪和所述磁力计均与所述DSP模块连接。
优选的，所述控制系统还包括：减震结构和底板；
所述DSP模块、所述RTK高精度定位插板、所述MCU模块和所述无线传输插板均安装于所述底板上；所述IMU板通过所述减震结构固定于所述底板上。
优选的，所述减震结构包括：阻尼式减震球；
所述阻尼式减震球分布于所述IMU板的边缘上和/或角上；所述IMU板通过所述阻尼式减震球固定于所述底板上。
优选的，所述控制系统还包括：接口模块、温度与静压测量模块、数据烧写模块、存储记忆模块和配电电源模块；
所述温度与静压测量模块与所述DSP模块连接；
所述接口模块、所述数据烧写模块、所述存储记忆模块和所述配电电源模块，均与所述DSP模块或所述MCU模块连接，且均安装于所述底板上。
优选的，所述接口模块包括：通信接口、PWM信号输出接口、EXIO接口、外部中断接口和烧写接口；
所述IMU板和所述温度与静压测量模块通过所述通信接口与所述DSP模块连接；
所述EXIO接口和所述烧写接口均与所述DSP模块连接；
所述EXIO接口和所述烧写接口均与所述MCU模块连接；
所述PWM信号输出接口和所述外部中断接口均与所述MCU模块连接；
所述EXIO接口作为所述IMU板的功能拓展口；所述烧写接口作为所述DSP模块和所述MCU模块的程序烧写接口；所述PWM信号输出接口用于传输控制信号；所述外部中断接口作为地面控制信号输入接口。
优选的，所述通信接口采用的通信协议包括：SPI通信协议和IIC通信协议、Uart通信协议；
所述IMU板中的所述加速度计和所述IMU板中的所述陀螺仪均通过SPI通信协议与所述DSP模块通讯；
所述温度与静压测量模块和所述IMU板中的所述磁力计均通过IIC通信协议与所述DSP模块通讯。
优选的，所述MCU模块的型号为STM32F407IGT6；所述DSP模块包括以FPGA为基础部件的DSP器件；所述FPGA的型号为：EP4CE15E22C8N。
优选的，所述RTK高精度定位插板包括型号为S2525F8-BD-RTK的定位芯片；
所述控制系统还包括无线数传模块；所述无线数传模块与所述MCU模块连接；所述无线数传模块的型号为E22-400T30S。
优选的，所述温度与静压测量模块包括：温度测量模块和静压测量模块；
所述温度测量模块和所述静压测量模块均与所述DSP模块连接；
所述温度测量模块的型号为LM75；所述静压测量模块的型号为MS5611。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的无人机飞行器控制系统，通过采用DSP模块驱动IMU板、RTK高精度定位插板和无线传输插板，并采集IMU板、RTK高精度定位插板和无线传输插板中的数据，能够提高系统的运行效率。通过采用DSP模块和MCU模块“双核”设计的方式，在能够提高系统运行的稳定性前提下，增强了系统的并行性、实时性，并使得系统具备较强的可拓展性。并且，所采用的器件均是常规MEMS部件，能够进一步系统整体功耗和制备成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明无人机飞行器控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明技术方案中所采用英文简称进行解释：
IMU，惯性测量单元，英文全称为：Inertial measurementunit。
MCU，微控制单元，MicrocontrollerUnit。
DSP，数字信号处理，英文:Digital Signal Processing。
RTK，实时动态载波相位差分技术，Real-time kinematic。
本发明的目的是提供一种无人机飞行器控制系统，以在提高系统的运行效率和稳定性的同时，降低系统整体功耗和制备成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明无人机飞行器控制系统的结构示意图，如图1所示，一种无人机飞行器控制系统，包括：IMU板1、DSP模块6、RTK高精度定位插板2、MCU模块7和无线传输插板3。
IMU板1、RTK高精度定位插板2和无线传输插板3均与DSP模块6连接。DSP模块6与MCU模块7连接。
IMU板1和RTK高精度定位插板2用于确定无人机的姿态和位置。其中，IMU属于惯性制导单元，他可以用于估计无人机的姿态和位置。但是，估计位置常常不准确，这时就需要用高精度定位插板2提供的GPS的精确坐标来进行补偿，以精确获得无人机的姿态和位置。
无线传输插板3用于实现MCU模块7与地面站之间的数据传输。RTK高精度定位插板2用于获取无人机的GPS坐标信息。DSP模块6用于驱动IMU板1、RTK高精度定位插板2和无线传输插板3，并用于采集IMU板1、RTK高精度定位插板2和无线传输插板3中的数据。MCU模块7用于对DSP模块6采集的数据进行处理，并用于生成控制信号。
其中，RTK高精度定位插板2包括型号为S2525F8-BD-RTK的定位芯片。
MCU模块7包括MCU模块。MCU模块的型号为STM32F407IGT6。
DSP模块6包括以FPGA为基础部件的DSP模块。FPGA的型号为：EP4CE15E22C8N。
上述无线传输插板3采用P900芯片实现数据的无线传输，该无线传输插板3也包括P900芯片天线。
该无线传输插板3可以进一步分为P900和无线数传模块9两部分。二者都可用于飞控系统(无人机飞行器控制系统的简称)与地面站之间信息传输，其中P900具备多跳mesh网络组网能力。无线数传模块9与MCU模块7连接。无线数传模块9的型号为E22-400T30S。
作为本发明的另一实施例，上述IMU板1包括：加速度计、陀螺仪和磁力计。其中，加速度计优选为ADXL355三轴MEMS加速度计，其个数优选为1个。陀螺仪优选为ADRS453单轴MEMS陀螺仪，其个数优选为3个。磁力计优选为MAG3110磁力计，其个数优选为1片。
加速度计、陀螺仪和磁力计均与上述DSP模块6连接。
为了缓冲IMU板1受到的机体振动，以减小IMU板1受到的振动、降低IMU板1元件振动干扰，进而提高控制精确性。作为本发明的另一实施例，上述控制系统还可以包括：减震结构和底板。
上述DSP模块6、上述RTK高精度定位插板2、上述MCU模块7和上述无线传输插板3均安装于底板上。上述IMU板1通过减震结构固定于底板上。
上述减震结构包括：阻尼式减震球。在本发明中阻尼式减震球的个数优选为4个。
阻尼式减震球分布于上述IMU板1的边缘上和/或角上。上述IMU板1通过阻尼式减震球固定于底板上。当IMU板1为矩形时，4个阻尼式减震球分布于IMU板1同一平面上的4角上。
作为本发明的另一实施例，上述控制系统还包括：接口模块、温度与静压测量模块4、数据烧写模块、存储记忆模块和配电电源模块11。
其中，温度与静压测量模块4与DSP模块6连接；
接口模块、数据烧写模块、存储记忆模块和配电电源模块11，均与DSP模块6或MCU模块7连接，且均安装于底板上。
存储记忆模块主要为FPGA配置器件EPCS16SI8N。
配电电源模块11主要包括一组输出电平端子、四组输出端子，船型供电开关及分压及保护电路。
配电电源模块11实现对外部输入11～14.8V电平稳压分压，转换为5V及TTL3.3V电平实现控制系统板载元件供电，同时，向四轴电调供电。可选的，配电电源模块11还可通过INA219芯片监测电路输出电流和功率。
上述接口模块包括：通信接口、PWM信号输出接口10、EXIO接口5、外部中断接口8和烧写接口。
上述IMU板1和上述温度与静压测量模块4通过通信接口与上述DSP模块6连接。
EXIO接口5和烧写接口均与上述DSP模块6连接。同时EXIO接口5和烧写接口还均与MCU模块7连接。
PWM信号输出接口10和外部中断接口8均与上述MCU模块7连接。其中，PWM信号输出接口10和外部中断接口8可以直接与上述MCU模块7连接，也可以通过DSP模块6上的特定引脚与上述MCU模块7间接连接。
EXIO接口5作为上述IMU板1的功能拓展口。烧写接口作为上述DSP模块6的程序烧写接口。PWM信号输出接口10用于传输控制信号。外部中断接口8作为地面控制信号输入接口。
作为本发明的优选实施例，PWM信号输出接口10和外部中断接口8与上述MCU模块7的连接关系具体可以为：以STM32为核心的MCU模块连接位于底板四角的PWM信号输出接口10。外部中断接口8作为RC地面控制信号输入端直接与MCU相连。
上述通信接口采用的通信协议包括：SPI通信协议和IIC通信协议、Uart通信协议。上述烧写接口包括：FPGA烧写接口JTAG-EPLD及STM32烧写接口SWDIO接口。
上述IMU板1中的加速度计和IMU板1中的陀螺仪均通过SPI通信协议与上述DSP模块6连接。
上述温度与静压测量模块4和上述IMU板1中的磁力计均通过IIC通信协议与DSP模块6连接。
温度与静压测量模块4用于当前飞控板工作环境中的温度与气压感知，作为姿态与位置估计的一部分。
上述温度与静压测量模块4可以包括：温度测量模块和静压测量模块。
温度测量模块和静压测量模块均与上述DSP模块6连接。
上述温度测量模块的型号为LM75。上述静压测量模块的型号为MS5611。
作为本发明实施例功能的进一步扩展，本发明提供的控制系统还包括通信总线，其通信协议主要包括Uart(RS232、RS485、CH340)、SPI、IIC、FSMC等通信协议。
其中，IMU板1、静压测量模块的MS5611、无线传输插板3的P900、RTK高精度定位插板2的RTK通过SPI、IIC、Uart串口通信协议与DSP模块6连接。
通讯总线及接口模块均可用于MCU、DSP等程序的烧写、外部中断输入、PWM信号输出、拓展接口预留。
此外，作为本发明的另一实施例，上述以FPGA为核心的DSP模块还可以连接一路10MHz的晶振输入信号及FPGA烧写接口、存储记忆模块。
本发明所提供技术方案的优点在于为四旋翼无人机的板载嵌入式飞行器控制系统通过了实际的解决方案，为无人机飞行决策的制定提供位置、姿态信息，可配合稳定的自主飞行控制系统，有效保证任务的完成率。
且，相对于现有技术而言，本发明所提供的技术方案还具有以下优点：
1、采用STM32+FPGA架构，使得STM32处理器提供实时的自动控制与人机交互性能的同时，FPGA可以实现传感器数据并行采集，提高系统运行效率。
2、FPGA的特性及EXIO接口的设置允许开发人员能够根据后续功能开发设计、开放更多接口，如支持计算机视觉、距离估计等功能的拓展接口。
3、得益于FPGA自身稳定性强、工作可靠的特性，以及DSP与MCU的双核设计，保证了系统的数据与处理器分离，使得系统稳定性更强。
4、相比于常规GPS，采用精度更高的RTK来规划无人机飞行航迹，增强了飞行准确性。
5、采用P900高速全双工通讯模块，实现信息的实时传输。同时，备用信息传输模块的设计使得在后续开发中能够解放P900模块，使其可在无人机编队中构建多跳Mesh网络，实现编队间通信和控制、算法验证。
6、以片上MEMS元件组成的嵌入式飞控系统取代离线控制及复杂高昂的传统飞控元件，使得系统具有高效、稳定、低功耗、廉价的特点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种无人机飞行器控制系统，其特征在于，包括：IMU板、DSP模块、RTK高精度定位插板、MCU模块和无线传输插板；
所述IMU板、所述RTK高精度定位插板和所述无线传输插板均与所述DSP模块连接；所述DSP模块与所述MCU模块连接；
所述IMU板用于确定无人机的姿态和位置；所述无线传输插板用于实现所述MCU模块与地面站之间的数据传输；所述RTK高精度定位插板用于获取所述无人机的GPS坐标信息；所述DSP模块用于驱动所述IMU板、所述RTK高精度定位插板和所述无线传输插板，并用于采集所述IMU板、所述RTK高精度定位插板和所述无线传输插板中的数据；所述MCU模块用于对所述DSP模块采集的数据进行处理，并用于生成控制信号。
2.根据权利要求1所述的无人机飞行器控制系统，其特征在于，所述IMU板包括：加速度计、陀螺仪和磁力计；
所述加速度计、所述陀螺仪和所述磁力计均与所述DSP模块连接。
3.根据权利要求1所述的无人机飞行器控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：减震结构和底板；
所述DSP模块、所述RTK高精度定位插板、所述MCU模块和所述无线传输插板均安装于所述底板上；所述IMU板通过所述减震结构固定于所述底板上。
4.根据权利要求3所述的无人机飞行器控制系统，其特征在于，所述减震结构包括：阻尼式减震球；
阻尼式减震球分布于所述IMU板的边缘上和/或角上；所述IMU板通过阻尼式减震球固定于所述底板上。
5.根据权利要求4所述的无人机飞行器控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：接口模块、温度与静压测量模块、数据烧写模块、存储记忆模块和配电电源模块；
所述温度与静压测量模块与所述DSP模块连接；
所述接口模块、所述数据烧写模块、所述存储记忆模块和所述配电电源模块，均与所述DSP模块或所述MCU模块连接，且均安装于所述底板上。
6.根据权利要求5所述的无人机飞行器控制系统，其特征在于，所述接口模块包括：通信接口、PWM信号输出接口、EXIO接口、外部中断接口和烧写接口；
所述IMU板和所述温度与静压测量模块通过所述通信接口与所述DSP模块连接；
所述EXIO接口和所述烧写接口均与所述DSP模块连接；
所述EXIO接口和所述烧写接口均与所述MCU模块连接；
所述PWM信号输出接口和所述外部中断接口均与所述MCU模块连接；
所述EXIO接口作为所述IMU板的功能拓展口；所述烧写接口作为所述DSP模块和所述MCU模块的程序烧写接口；所述PWM信号输出接口用于传输控制信号；所述外部中断接口作为地面控制信号输入接口。
7.根据权利要求2或6所述的无人机飞行器控制系统，其特征在于，所述通信接口采用的通信协议包括：SPI通信协议和IIC通信协议、Uart通信协议；
所述IMU板中的所述加速度计和所述IMU板中的所述陀螺仪均通过SPI通信协议与所述DSP模块通讯；
所述温度与静压测量模块和所述IMU板中的所述磁力计均通过IIC通信协议与所述DSP模块通讯。
8.根据权利要求1所述的无人机飞行器控制系统，其特征在于，所述MCU模块包括MCU模块；所述MCU模块的型号为STM32F407IGT6；所述DSP模块包括以FPGA为基础部件的DSP模块；所述FPGA的型号为：EP4CE15E22C8N。
9.根据权利要求1所述的无人机飞行器控制系统，其特征在于，所述RTK高精度定位插板包括型号为S2525F8-BD-RTK的定位芯片；
所述控制系统还包括无线数传模块；所述无线数传模块与所述MCU模块连接；所述无线数传模块的型号为E22-400T30S。
10.根据权利要求5所述的无人机飞行器控制系统，其特征在于，所述温度与静压测量模块包括：温度测量模块和静压测量模块；
所述温度测量模块和所述静压测量模块均与所述DSP模块连接；
所述温度测量模块的型号为LM75；所述静压测量模块的型号为MS5611。
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