CN114924584B - 一种中小型无人机高集成度机载计算机构型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中小型无人机高集成度机载计算机构型方法，该方法在少量增加额外的机载计算机内部硬件和软件的基础上实现将空速、高度传感器及GPS接收机内嵌于机载计算机内，以达到显著提高机载计算机的性能，并显著降低无人机重量和功耗的目的。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种无人机高集成度机载计算机构型方法。
背景技术
空速、高度及GPS定位信息是无人机的重要控制参数，在整个无人机飞行控制过程中都参与飞行控制运算。
现有的中小型无人机通常采用在无人机上安装单独的大气计算机(获取空速、高度)及GPS定位设备(获取GPS定位信息)并通过电缆与机载计算机相联接，通过专用的SIO接口将空速、高度及GPS定位信息送至机载计算机中的处理器中参与飞行控制运算。这种方法使无人机上需要单独安装机载计算机、大气计算机及GPS定位设备三个设备来共同完成无人机飞行控制运算，由于中小型无人机上空间较小、机上资源紧张，这种方法会使得无人机分配给任务设备的资源非常有限，大大影响了无人机的性能及任务执行。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种中小型无人机高集成度机载计算机构型方法，该方法在少量增加额外的机载计算机内部硬件和软件的基础上实现将空速、高度传感器及GPS接收机内嵌于机载计算机内，以达到显著提高机载计算机的性能，并显著降低无人机重量和功耗的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
步骤1：机载计算机包括空速及高度传感器、GPS接收机、处理器及SIO模块、模拟量采集模块、数字量采集模块、滤波隔离模块、计算机母板及电源；
步骤2：将GPS接收机直接安装于处理器及SIO模块上，通过四个螺钉相连，中间用铜柱隔开；GPS接收机数据输出口为SIO接口，通过一个双排插座与处理器及SIO模块相连；
将处理器及SIO模块和电源模块安装在计算机母板上实现5V电源供电；空速及高度传感器通过四个螺钉安装在机载计算机侧壁上，中间贴上导热硅胶以保证充分导热，空速及高度传感器的SIO接口通过电缆连接在计算机母板上实现与处理器及SIO模块的信息互联和5V电源供电；
步骤3：将空速管安装于无人机机头，将空速管上的管路连接到机载计算机前面板上的接头上，并将机载计算机内部的空速及高度传感器的压力管路也连接在该接头上，由此实现将空速管采集的空速压力和高度压力值输入到空速及高度传感器中；
步骤4：将GPS天线安装于无人机上无遮挡处，将GPS天线上连接的馈线连接到机载计算机前面板上的SMA接头上，并将GPS接收机的馈线也连接于该SMA接头上，由此实现机载计算机内的GPS接收机获取GPS定位信息的目的；
步骤5：将空速及高度传感器和GPS接收机的数据送入处理器及SIO模块，通过处理器及SIO模块送入处理器的机载软件中，解算出空速、高度及GPS位置和地速信息用于无人机的飞行控制；
空速及高度传感器与处理器及SIO模块的软件通讯周期定为k1，GPS接收机与处理器及SIO模块的软件通讯周期定为k2，k1的取值为无人机控制周期的1/2至1倍，k2的取值均应为无人机控制周期的1至4倍；
步骤6：无人机加电后空速管自动输出无人机的空速、高度压力值并通过管路送给机载计算机内部的空速及高度传感器，空速及高度传感器接收到压力值后解算出空速、高度值送入机载计算机处理器软件模块中，机载计算机处理器软件模块接收到空速、高度值后进行控制律运算并输出控制无人机；装于无人机上的GPS天线将其收到的定位信息通过馈线送至GPS接收机上，GPS接收机解算出位置、地速信息后送至机载计算机处理器软件模块中，机载计算机处理器软件接收到位置、地速信息后进行控制律运算并输出控制无人机；
步骤7：接收到空速管输出的无人机空速、高度压力值后，空速及高度传感器以k1为周期定时向机载计算机处理器输出空速、高度信息；
步骤8：若机载计算机处理器连续t1个周期未收到空速、高度信息则回报空速、高度传感器故障；若接收空速、高度信息正常则将收到的空速、高度值代入到机载软件中进行n拍的均值滤波；
步骤9：处理器中的机载软件使用滤波后的空速、高度值进行无人机的飞行控制；
步骤10：GPS接收机以k2为周期向机载计算机处理器定时输出位置、地速信息；
步骤11：若机载计算机处理器连续t3个周期未收到GPS接收机信息则回报GPS接收机故障；若接收GPS接收机信息正常则将收到的位置、地速信息代入到机载软件中进行无人机飞行控制。
优选地，所述n拍的均值滤波算法具体如下：
假设当前周期时刻处理器接收到的空速、高度值为Kn，前一个周期时刻处理器接收到的空速、高度值为Kn-1，以此类推前1至n-2周期处理器接收到的空速、高度值为Kn-2、Kn-3、…、K1，那么当前时刻的空速、高度计算公式为：
前一时刻的空速、高度＝(Kn+Kn-1+…+K1)/n；
下一个周期时刻处理器接收到的空速、高度值为Kn+1，将Kn+1代替最先收到的空速、高度值K1；
下一时刻的空速、高度＝Kn+1+Kn+…+K2)/n；
后面时刻的空速、高度值滤波以此类推。
优选地，所述n＝6。
优选地，所述t1为3至6的整数。
优选地，所述t3为控制周期的40至80倍。
本发明的有益效果如下：
1、使用本方法后的机载计算机集成度高，功能全面，无需外部设备自身就可完成空速、高度和GPS信息的采集，大大节省了系统体积和重量；
2、本方法实现简单，可靠性、安全性高，适用面广可以在中小型无人机机载计算机设计中推广应用。
附图说明
图1为本发明高集成度机载计算机硬件框图。
图2为本发明高集成度机载计算机数据流图。
图3为本发明高集成度机载计算机软件控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的目的是提出一种新型的中小型无人机机载计算机与空速、高度传感器及GPS接收机集成设计方法，该方法在少量增加额外的机载计算机内部硬件和软件的基础上实现将空速、高度传感器及GPS接收机内嵌于机载计算机内，以达到显著提高机载计算机的性能，并显著降低无人机重量和功耗的目的。
机载计算机的硬件框图如图1所示，
GPS接收机的集成是将GPS接收机直接安装于处理器及SIO模块上通过四个螺钉相连，中间用铜柱隔开，GPS接收机数据输出为SIO接口通过一个双排插座与处理器及SIO模块相连；机载计算机前面板安装一个接收机天线插头用于连接GPS天线，该插头通过馈线与机载计算机内部的GPS接收机相连，这样使得GPS天线送至GPS接收机再送至处理器及SIO模块的信号通路连接可靠，且不宜受到干扰；处理器及SIO模块接收到GPS接收机的定位信息后送至处理器的机载软件中进行解算出位置、及地速等用于无人机的飞行控制计算。
空速及高度传感器的集成是将空速及高度传感器直接通过四个螺钉安装于机载计算机内侧壁上，中间贴上导热硅胶以保证充分导热。在机载计算机前面板安装一个管路插头用于连接安装于无人机前端的空速管以获取空速和高度压力值，该插头与空速、高度传感器通过机载计算机内部的PVC管路相连，该管路尽可能短使空速和高度压力值在传输过程的精度损失尽可能低，空速、高度传感器获得空速和高度压力值后直接通过SIO接口输出空速、高度信息，并通过母板送至处理器及SIO模块中。该模块将接收到的高度、空速信息送至处理器中的机载软件内，通过专门的空速、高度解算软件解算出无人机的空速、高度用于无人机的飞行控制计算。
接收机母板是通过其上安装的接插件与处理器及SIO模块、模拟量采集模块、数字量采集模块、滤波隔离模块等相连并使之成为一个机载计算机整体。
一种中小型无人机高集成度机载计算机构型方法，包括如下步骤：
步骤1：机载计算机包括空速及高度传感器、GPS接收机、处理器及SIO模块、模拟量采集模块、数字量采集模块、滤波隔离模块、计算机母板及电源；
步骤2：将GPS接收机直接安装于处理器及SIO模块上，通过四个螺钉相连，中间用铜柱隔开；GPS接收机数据输出口为SIO接口，通过一个双排插座与处理器及SIO模块相连；
将处理器及SIO模块和电源模块安装在计算机母板上实现5V电源供电；空速及高度传感器通过四个螺钉安装在机载计算机侧壁上，中间贴上导热硅胶以保证充分导热，空速及高度传感器的SIO接口通过电缆连接在计算机母板上实现与处理器及SIO模块的信息互联和5V电源供电；
步骤3：将空速管安装于无人机机头，将空速管上的管路连接到机载计算机前面板上的接头上，并将机载计算机内部的空速及高度传感器的压力管路也连接在该接头上，由此实现将空速管采集的空速压力和高度压力值输入到空速及高度传感器中；
步骤4：将GPS天线安装于无人机上无遮挡处，将GPS天线上连接的馈线连接到机载计算机前面板上的SMA接头上，并将GPS接收机的馈线也连接于该SMA接头上，由此实现机载计算机内的GPS接收机获取GPS定位信息的目的；
步骤5：将空速及高度传感器和GPS接收机的数据送入处理器及SIO模块，通过处理器及SIO模块送入处理器的机载软件中，解算出空速、高度及GPS位置和地速信息用于无人机的飞行控制；
空速及高度传感器与处理器及SIO模块的软件通讯周期定为k1，GPS接收机与处理器及SIO模块的软件通讯周期定为k2，k1的取值为无人机控制周期的1/2至1倍，k2的取值均应为无人机控制周期的1至4倍；
步骤6：无人机加电后空速管自动输出无人机的空速、高度压力值并通过管路送给机载计算机内部的空速及高度传感器，空速及高度传感器接收到压力值后解算出空速、高度值送入机载计算机处理器软件模块中，机载计算机处理器软件模块接收到空速、高度值后进行控制律运算并输出控制无人机；装于无人机上的GPS天线将其收到的定位信息通过馈线送至GPS接收机上，GPS接收机解算出位置、地速信息后送至机载计算机处理器软件模块中，机载计算机处理器软件接收到位置、地速信息后进行控制律运算并输出控制无人机；
步骤7：接收到空速管输出的无人机空速、高度压力值后，空速及高度传感器以k1为周期定时向机载计算机处理器输出空速、高度信息；
步骤8：若机载计算机处理器连续t1个周期未收到空速、高度信息则回报空速、高度传感器故障，t1为3至6的整数；若接收空速、高度信息正常则将收到的空速、高度值代入到机载软件中进行n拍的均值滤波；
n拍的均值滤波算法：假设n为6，当前周期时刻处理器接收到的空速、高度值为Kn，前一个周期时刻处理器接收到的空速、高度值为Kn-1，以此类推前二至五个周期处理器接收到的空速、高度值为Kn-2、Kn-3、Kn-4、Kn-5，那么当前时刻的空速、高度计算公式为：
前一时刻的空、高度＝(Kn+Kn-1+Kn-2+Kn-3+Kn-4+Kn-5)/6；
下一个周期时刻处理器接收到的空速、高度值为Kn+1，将Kn+1代替最先收到的空速、高度值Kn-5；
下一时刻的空速、高度＝(Kn+1+Kn+Kn-1+Kn-2+Kn-3+Kn-4)/6；
后面时刻的空速、高度值滤波以此类推；
步骤9：处理器中的机载软件使用滤波后的空速、高度值进行无人机的飞行控制；
步骤10：GPS接收机以k2为周期向机载计算机处理器定时输出位置、地速信息；
步骤11：若机载计算机处理器连续t3个周期未收到GPS接收机信息则回报GPS接收机故障，t3为控制周期的40至80倍；若接收GPS接收机信息正常则将收到的位置、地速信息代入到机载软件中进行无人机飞行控制。
具体实施例：
步骤1：如图1所示，将GPS接收机(Novatel719定位板)直接安装于处理器及SIO模块上通过四个螺钉相连，中间用铜柱隔开，GPS接收机数据输出为SIO接口通过一个双排插座(DIP14芯双排插座)与处理器及SIO模块相连；将处理器及SIO模块和电源模块安装于计算机母板上实现5V电源供电；动、静压传感器(霍尼韦尔公司的PPT002动静压传感器，即空速及高度传感器)直接通过四个螺钉安装于机载计算机侧壁上，中间贴上导热硅胶以保证充分导热，其输出SIO接口通过电缆连接于计算机母板上实现与处理器及SIO模块的信息互联和5V电源供电；
步骤2：将GKY-26型空速管安装于无人机机头，并将空速管上的管路连接到机载计算机前面板上的接头上，并将空速、高度传感器的压力管路也连接于该接头上，由此实现将空速管采集的空速、高度压力值输入到空速、高度传感器的目的。
步骤3：将Novatel719定位板自带的GPS天线安装于无人机机头上部无遮挡处，并将GPS天线上连接的馈线连接到机载计算机前面板上的SMA接头上，并将内置于机载计算机内的Novatel719定位板的馈线也连接于该SMA接头上，由此实现机载计算机内的Novatel719定位板获取定位信息的目的。
步骤4：将空速、高度传感器(霍尼韦尔公司的PPT002动静压传感器)及GPS定位板(Novatel719定位板)的数据通过母板同时送入处理器模块参与无人机控制数据的计算，空速、高度传感器与处理器模块的通讯周期定为80ms(无人机控制周期为80ms)，GPS定位板与处理器模块的通讯周期定为200ms。
步骤5：全系统工作原理；无人机加电后GKY-26型空速管自动输出无人机的动压(空速)、静压(高度)并通过管路送给机载计算机内部的动压、静压传感器，动压(空速)、静压(高度)传感器接收到压力值后解算出空速、高度值向机载计算机处理器输出，机载计算机处理器接收到空速、高度值后由机载计算机软件进行无人机的飞行控制；
装于无人机上的GPS天线将其收到的定位信息通过馈线送至机载计算机内置的Novatel719定位板上，Novatel719定位板解算出无人机位置、地速等信息后送至机载计算机处理器，机载计算机处理器接收到无人机位置、地速等信息后由机载计算机软件进行无人机的飞行控制。
机载计算机集成空速、高度传感器及GPS接收机软件控制流程如下：
步骤1：动压(空速)、静压(高度)传感器以40ms为周期(无人机控制周期为80ms)定时向机载计算机处理器模块输出空速、高度信息；
步骤2：若机载计算机处理器连续3个周期未收到空速、高度信息则回报空速、高度传感器故障，若接收正常则将收到的空速、高度后带入机载软件中进行5拍的均值滤波；
步骤3：滤波后的空速、高度直接带入处理器中的机载软件内进行无人机的飞行控制；
步骤4：Novatel719定位板以200ms为周期(无人机控制周期为80ms)向机载计算机处理器定时输出位置、地速等GPS信息，若机载计算机处理器连续t3个周期未收到GPS接收机信息则回报GPS接收机故障；若接收正常则机载计算机处理器将收到的位置、地速等GPS信息代入到机载软件中进行无人机飞行控制。
从而实现无人机机载计算机与空速、高度传感器及GPS接收机集成及控制。
Claims (5)
1.一种中小型无人机高集成度机载计算机构型方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：机载计算机包括空速及高度传感器、GPS接收机、处理器及SIO模块、模拟量采集模块、数字量采集模块、滤波隔离模块、计算机母板及电源；
步骤2：将GPS接收机直接安装于处理器及SIO模块上，通过四个螺钉相连，中间用铜柱隔开；GPS接收机数据输出口为SIO接口，通过一个双排插座与处理器及SIO模块相连；
将处理器及SIO模块和电源模块安装在计算机母板上实现5V电源供电；空速及高度传感器通过四个螺钉安装在机载计算机侧壁上，中间贴上导热硅胶以保证充分导热，空速及高度传感器的SIO接口通过电缆连接在计算机母板上实现与处理器及SIO模块的信息互联和5V电源供电；
步骤3：将空速管安装于无人机机头，将空速管上的管路连接到机载计算机前面板上的接头上，并将机载计算机内部的空速及高度传感器的压力管路也连接在该接头上，由此实现将空速管采集的空速压力和高度压力值输入到空速及高度传感器中；
步骤4：将GPS天线安装于无人机上无遮挡处，将GPS天线上连接的馈线连接到机载计算机前面板上的SMA接头上，并将GPS接收机的馈线也连接于该SMA接头上，由此实现机载计算机内的GPS接收机获取GPS定位信息的目的；
步骤5：将空速及高度传感器和GPS接收机的数据送入处理器及SIO模块，通过处理器及SIO模块送入处理器的机载软件中，解算出空速、高度及GPS位置和地速信息用于无人机的飞行控制；
空速及高度传感器与处理器及SIO模块的软件通讯周期定为k1，GPS接收机与处理器及SIO模块的软件通讯周期定为k2，k1的取值为无人机控制周期的1/2至1倍，k2的取值均应为无人机控制周期的1至4倍；
步骤6：无人机加电后空速管自动输出无人机的空速、高度压力值并通过管路送给机载计算机内部的空速及高度传感器，空速及高度传感器接收到压力值后解算出空速、高度值送入机载计算机处理器软件模块中，机载计算机处理器软件模块接收到空速、高度值后进行控制律运算并输出控制无人机；装于无人机上的GPS天线将其收到的定位信息通过馈线送至GPS接收机上，GPS接收机解算出位置、地速信息后送至机载计算机处理器软件模块中，机载计算机处理器软件接收到位置、地速信息后进行控制律运算并输出控制无人机；
步骤7：接收到空速管输出的无人机空速、高度压力值后，空速及高度传感器以k1为周期定时向机载计算机处理器输出空速、高度信息；
步骤8：若机载计算机处理器连续t1个周期未收到空速、高度信息则回报空速、高度传感器故障；若接收空速、高度信息正常则将收到的空速、高度值代入到机载软件中进行n拍的均值滤波；
步骤9：处理器中的机载软件使用滤波后的空速、高度值进行无人机的飞行控制；
步骤10：GPS接收机以k2为周期向机载计算机处理器定时输出位置、地速信息；
步骤11：若机载计算机处理器连续t3个周期未收到GPS接收机信息则回报GPS接收机故障；若接收GPS接收机信息正常则将收到的位置、地速信息代入到机载软件中进行无人机飞行控制。
2.根据权利要求1所述的一种中小型无人机高集成度机载计算机构型方法，其特征在于，所述n拍的均值滤波算法具体如下：
假设当前周期时刻处理器接收到的空速、高度值为Kn，前一个周期时刻处理器接收到的空速、高度值为Kn-1，以此类推前1至n-2周期处理器接收到的空速、高度值为Kn-2、Kn-3、…、K1，那么当前时刻的空速、高度计算公式为：
前一时刻的空速、高度＝(Kn+Kn-1+…+K1)/n；
下一个周期时刻处理器接收到的空速、高度值为Kn+1，将Kn+1代替最先收到的空速、高度值K1；
下一时刻的空速、高度＝(Kn+1+Kn+…+K2)/n；
后面时刻的空速、高度值滤波以此类推。
3.根据权利要求1所述的一种中小型无人机高集成度机载计算机构型方法，其特征在于，所述n＝6。
4.根据权利要求1所述的一种中小型无人机高集成度机载计算机构型方法，其特征在于，所述t1为3至6的整数。
5.根据权利要求1所述的一种中小型无人机高集成度机载计算机构型方法，其特征在于，所述t3为控制周期的40至80倍。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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