CN1669874A - 一种用于飞行器的自动驾驶仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于飞行器的自动驾驶仪，包括第一和第二微处理器、多个传感器组成的姿态传感器组、GPS接收机、大气传感器、上、下行通讯接口。第一微处理器带有飞行控制模块，第二微处理器带有计算飞行器的姿态信息的姿态解算模块，第二微处理器与第一微处理器通过驾驶仪内部数据总线连接。姿态传感器组的测量信号经传感器外围电路处理后，经第二A/D转换器转换为数字信号后输入到所述第二微处理器。本发明的自动驾驶仪提高了自动驾驶仪的数据处理速度和控制响应速度，采用内置传感器进行姿态测量有利于多传感器数据的融合和优化，并可测得飞行器的全姿态信息。本发明的自动驾驶仪具有固态结构、体积小、重量轻和成本低等优点。

Description

一种用于飞行器的自动驾驶仪
技术领域
本发明涉及航空技术领域，更具体地说，本发明涉及应用于微型飞行器或微型无人机的自动驾驶仪。
背景技术
自动驾驶仪是飞行器自动飞行控制、导航系统的基本组成与核心器件，它可以协助或者完全取代驾驶员的职能，在很少人为干预的情况下自主控制飞行器飞行。自动驾驶仪在现代飞行器上，特别是在微型飞行器或微型无人机上获得了广泛应用。
现有技术中的自动驾驶仪一般如图1所示。电路的核心器件是一个微处理器10，负责对输入的各种信息进行处理，同时将处理结果输出到各种外设接口，驱动外设工作，从而实现飞行器的自动驾驶。
图1所示的自动驾驶仪，由姿态获取装置11测量飞行器的当前姿态信息，包括俯仰角、滚转角和航向角；由大气传感器12测量飞行器的当前高度信息、空速信息等；GPS接收机13输出飞行器当前的位置信息，如经度、纬度等。上行通讯接口14接收地面控制站的指令，用于对飞行状态和参数进行设置。微型处理器10根据姿态获取装置11、大气传感器12、GPS接收机13以及上行通讯接口14输入的数据，通过一定的控制算法计算出当前的飞行器的油门大小，舵面的舵量，输出给舵机和螺旋桨电机16，以驱动舵机带动飞行器上的控制舵面进行偏转，实现飞行器自主飞行。同时飞行器的位置、高度和姿态等信息通过下行通讯接口15发送到地面控制战，便于地面控制人员对飞行器进行监控。
现有的自动驾驶仪存在如下一些不足之处需要改进：
1)使用单一处理器10，处理能力有限。由于微型飞行器或无人机的带载能力有限，要求机载器件既要重量轻，又要功耗低，所以多数只采用一个微型处理器，单一处理器既要采集各种传感器的数据，解算飞行器的姿态数据，又要进行飞行器的稳定、导航控制，降低了系统的响应速度；对于小翼展无人机特别是微型飞行器，由于其自身的转动惯量非常小，很容易受气流扰动的影响，因而对控制器的响应速度提出更高要求，单一处理器很难胜任。
2)采用成品的姿态获取装置11，如包含传感器的惯性航姿系统或者磁罗盘。自动驾驶仪中的微处理器并不直接获得传感器信号，微处理器10中本身也不包含姿态解算算法，从而不能对多传感器数据进行融合和优化使用。而且有的姿态获取装置11不能获得飞行器的全姿态信息，处理器10只能利用部分姿态角进行飞行控制，这在翼展较大的无人机上是可行的，但是对于微型飞行器的控制并不适用。
本申请人在申请号为“200410004660.3”的中国专利申请“一种载体姿态测量方法及其系统”中提供了一种可用于飞行器的载体姿态测量方法和系统，该专利在本申请中引入作为参考。在前述申请中，采用三个加速度计、三个磁强计和三个速率陀螺共九个传感器来构成姿态测量的传感器组，并根据这些传感器测量的信号来计算飞行器的姿态角。在进行姿态解算时，采用了包括卡尔曼滤波内在的算法进行数据处理，用稳定的陀螺信号来减小运动加速度对系统的影响，而且不存在陀螺的积分漂移问题，从而得到更精确和更稳定的飞行器姿态角，且可以实现飞行器的全姿态测量。
发明内容
本发明的主要目的是提高自动驾驶仪的响应速度；本发明的另一目的是改进自动驾驶仪的姿态测量单元；本发明的再一目的是提供一种可方便用于微型飞行器或微型无人机的自动驾驶仪。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于飞行器的自动驾驶仪，包括第一微处理器、GPS接收机、大气传感器、上行通讯接口、下行通讯接口。所述第一微处理器带有飞行控制模块，输出控制信号给飞行器的舵机和螺旋桨电机，以控制飞行器的飞行状态舵机。该自动驾驶仪还包括第二微处理器和由多个传感器组成的姿态传感器组。所述第二微处理器带有计算飞行器的姿态信息的姿态解算模块，所述第二微处理器与第一微处理器通过驾驶仪内部数据总线连接。所述姿态传感器组的测量信号经传感器外围电路处理后，经第二A/D转换器转换为数字信号后输入到所述第二微处理器，以便所述第二微处理器的姿态解算模块计算飞行器的姿态。
所述姿态传感器组包括九个传感器：沿飞行器坐标系三轴布置的三轴加速度计，用于测量重力加速度飞行器坐标系三轴上的分量；沿飞行器坐标系三轴布置的三轴磁强计，用于测量地磁感应强度在飞行器坐标系三轴上的分量；沿飞行器坐标系三轴布置的三轴速率陀螺，用于测量飞行器加速度在飞行器坐标系三轴上的分量。所述加速度计为微机电加速度计，所述磁强计为微机电磁强计，所述速率陀螺为微机电速率陀螺。所述传感器外围电路包括：与速率陀螺连接的放大滤波电路、与加速度计连接的射随器、与磁强计连接的仪表运放电路。
所述GPS接收机与第二微处理器连接；所述下行通讯接口与所述第二微处理器连接；所述上行通讯接口与所述第一微处理器连接；所述大气传感器包括高度计和/或空速计，所述高度计和/或空速计通过第一A/D转换器与所述的第一微处理器连接。
所述驾驶仪内部数据总线为I2C总线。
本发明的自动驾驶仪还包括一个复位电路，该复位电路连接与第二微处理器与磁强计之间。
本发明的自动驾驶仪还包括一电源管理电路，所述电源管理电路分两路为驾驶仪中的数字电路和模拟电路供电。
本发明的自动驾驶仪还包括与上行通讯接口连接的无线接收模块，和与下行通讯接口连接的无线发送模块。
所述自动驾驶仪集成在一块电路板上。
本发明的优点在于：
1)本发明的自动驾驶仪采用两个处理器分别进行姿态解算和飞行控制，提高自动驾驶仪的数据处理速度和控制响应速度。
2)本发明的自动驾驶仪采用内置的姿态传感器组和大气传感器以及GPS接收机来测量飞行器的姿态、状态和位置信息，有利于多传感器数据的融合和优化，并且可测得准确的飞行器的全姿态信息和导航信息。
3)本发明的自动驾驶仪采用微机电传感器，运用一体化、集成化设计手段，将尽可能多的元器件高度集成在同一块电路板上，具有固态结构、体积小、重量轻和成本低等优点。
附图说明
图1是现有技术中的自动驾驶仪的结构示意图；
图2是本发明的自动驾驶仪的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图2所示，本发明的自动驾驶仪包括两个微处理器：第一微处理器21和第二微处理器22。在本发明中，第一微处理器21和第二微处理器22共同承担图1中的微处理器10的功能。其中第一微处理器21主要承担飞行器飞行控制计算的功能，而第二微处理器22主要承担飞行器飞行姿态解算的功能。这样可以由两个微处理器进行并行运算，提高自动驾驶仪的数据处理速度和控制响应速度。
在图2中，姿态传感器组23包含有若干用于测量飞行器飞行姿态的传感器。根据现有技术中公知的一些不同的姿态解算算法，姿态传感器组23内包含的传感器的类型和数量也相应地具有多种变化，这是本领域的技术人员所熟悉的。在本发明中，优选采用申请号为“200410004660.3”的中国专利申请“一种载体姿态测量方法及其系统”中的姿态测量算法。相应于前述专利，在本发明中，姿态传感器组包括九个传感器，包括三个速率陀螺、三个加速度计和三个磁强计。通常，在飞行器上建立飞行器正交坐标系X-Y-Z，其中：X轴处于飞行器对称平面内，由质心指向飞行器运动前向；Y轴垂直于飞行器对称平面并指向右方；Z轴在飞行器对称平面内且垂直于X轴指向下方。姿态传感器组23内的三个加速度计为沿飞行器坐标系三轴布置的三轴加速度计，用于测量重力加速度在飞行器坐标系三轴上的分量；三个磁强计为沿飞行器坐标系三轴布置三轴磁强计，用于测量地磁感应强度在飞行器坐标系三轴上的分量；三个速率陀螺为沿飞行器坐标系三轴布置的三轴速率陀螺，用于测量飞行器加速度在飞行器坐标系三轴上的分量。为了提高本发明的自动驾驶仪的集成度，减轻其重量和体积，因此姿态传感器组23中的传感器采用微机电传感器，便于整个驾驶仪的集成和封装。在图2中，加速度计为微机电加速度计，磁强计为微机电磁强计，速率陀螺为微机电速率陀螺。
姿态传感器组23的测量信号首先经过其外围电路24处理后，再经第二A/D转换器25转换为数字信号后进入第二微处理器22。外围电路24包括与速率陀螺连接的放大滤波电路，进行陀螺信号的放大与滤波；加速度计信号需要经过外围电路24中的射随器电路提高带载能力；磁强计信号需要经过仪表运放电路进行放大。
为了消除环境高磁场效应对姿态传感器组23中的磁强计灵敏度的影响，对磁强计进行重置，最好还包括一复位电路42。复位电路42一般由MOSFET管及其外围电路组成，电路进入复位状态时，由第二微处理器22输出频率为10Hz、占空比为1的复位脉冲信号，由复位电路42进行功率放大后，驱动磁强计内部的复位电阻对磁强计进行复位。
第二A/D转换器25和第二微处理器22最好为一个集成A/D转换功能的微处理器。
GPS接收机26优选与第二微处理器22连接，其数据传输格式符合NMEA协议，主要有以下几种格式：GPGGA，GPRMC，GPGSV等。第二微处理器22从GPS接收机25发送的数据包中取得飞行器的经度、纬度、速度、航向等导航信息。GPS接收机26具有一薄膜天线27。
下行通讯接口28优选与第二微处理器22连接，用于将飞行器的位置、高度和姿态等信息通过与其连接的无线发射模块29发送到地面控制站，便于地面控制人员对飞行器进行监控，该下行通讯接口28优选采用UART串口。该无线发射模块29可以集成在本发明的自动驾驶仪中，也可以作为自动驾驶仪的一个外接设备。
第二微处理器22中内置的程序存储器中存储有进行数据处理的程序，该程序包括一个根据姿态传感器组23的测量信号进行飞行器姿态解算的姿态解算模块。当姿态传感器组23包括如图2所示的九个传感器时，该姿态解算模块的姿态解算算法可以采用前述的申请号为“200410004660.3”的中国专利申请中的方法，也可以采用现有技术中已公开的其它算法，在此不再详细描述。该姿态解算模块可以计算出飞行器飞行时的全姿态信息，包括飞行器的航向角、俯仰角和滚转角。
第二微处理器22将所述姿态解算模块获得的姿态角，以及从GPS接收机26获取的飞行器的经度、纬度、速度、航向等导航信息，通过自动驾驶仪内部的数据总线30传输给第一微处理器21，供第一微处理器21控制飞行器使用。该数据总线30优选为接口简洁、数据传输率高的I2C总线。
高度计31和空速计32与第一A/D转换器33连接，高度计31测量飞行器飞行高度，空速计32测量飞行器相对于空气的速度，高度计31和空速计32的测量信号经第一A/D转换器33转换为数字信号后输入至第一微处理器21。
上行通讯接口34优选与第一微处理器21连接，上行通讯接口34用于连接无线接收模块35。无线接收模块35接收地面控制站的指令，通过上行通讯接口34输入到第一微处理器21，对飞行状态和参数进行设置，该上行通讯接口34优选采用UART串口。无线接收模块35可以集成在本发明的自动驾驶仪中，也可以作为自动驾驶仪的一个外接设备。
第一微处理器21中内置的程序存储器中存储有进行数据处理的程序，该程序包括一个根据第一微处理器21接收到的数据对飞行器进行飞行控制的飞行控制模块。其中，第一微处理器21接收到的数据包括：来自第二微处理器22的飞行器姿态和导航信息，来自于高度计31和空速计32的测量信号，以及来自于上行通讯接口34的地面指令。飞行控制模块根据这些数据，采用一定的控制算法计算出当前的飞行器螺旋桨的转速和舵面的舵量，并根据计算结果控制飞行器飞行状态，实现飞行器的自主飞行。这里所说的控制算法可以采用一些本领域技术人员所公知的控制算法，如比例-积分-微分(PID)控制算法、自适应控制算法等。第一微处理器21将飞行控制模块计算出的螺旋浆转速转换为PWM信号输出给自动驾驶仪的调速器36，调速器36调节自动驾驶仪外部的电机37的转速，由电机37带动飞行器的螺旋桨38转动，从而控制飞行器的飞行速度。第一微处理器21将飞行控制模块计算出的舵面舵量转换为PWM信号输出给自动驾驶仪外部的多路舵机39，多路舵机39带动飞行器上的多个控制舵面40(通常包括副翼、升降舵和方向舵)偏转，从而控制飞行器的飞行姿态和高度。
电源管理电路41为自动驾驶仪中的各个部分提供3.3V和5V稳压电源，保证各部分正常工作。其中，电源管理电路41包括与电池连接的电源接口、电压调整电路和滤波电路，分别输出两路3.3V电压，其中一个为模拟电路供电，另一个为数字电路供电，还输出一个5V电压为舵机供电。在现有技术中，通常用一个电压输出同时为模拟电路和数字电路供电，而在本发明中用两个3.3V的电压输出分别为模拟电路和数字电路供电，有效抑制了数字电路的噪声对模拟电路的影响。
本发明的自动驾驶仪可采用一体化、集成化设计，将各个组成部分集成在一块电路板上，以减小自动驾驶仪的体积和重量。
应当注意，在本发明中，GPS接收机26、下行通讯接口28、上行通讯接口34和大气传感器(高度计31和空速计32)不仅限于图2所示的连接位置，它们可以任意的连接到第一微处理器21和第二微处理器22中的一个上。但是由于上行通讯接口34传输的地面指令和大气传感器测量的飞行器高度和空速是与飞行器的飞行控制关系更加紧密，因此它们优选直接连接到第一微处理器21上，以便第一微处理器21的飞行控制模块更快地获取数据。在实现飞行控制时，GPS接收机26数据更新慢，而下行通讯接口28传输的数据对实时性要求不紧迫，因此可连接于第二微处理器22上，而且这样的布置可以进一步分担第一微处理器21的负荷。

Claims (10)

1、一种用于飞行器的自动驾驶仪，包括第一微处理器、GPS接收机、大气传感器、上行通讯接口、下行通讯接口；所述第一微处理器带有飞行控制模块，输出控制信号给飞行器的舵机和螺旋桨电机，以控制飞行器的飞行状态舵机；其特征在于，还包括：
第二微处理器，所述第二微处理器带有计算飞行器的姿态信息的姿态解算模块，所述第二微处理器与第一微处理器通过驾驶仪内部数据总线连接；
由多个传感器组成的姿态传感器组，所述姿态传感器组的测量信号经传感器外围电路处理后，经第二A/D转换器转换为数字信号后输入到所述第二微处理器，以便所述第二微处理器的姿态解算模块计算飞行器的姿态。
2、根据权利要求1所述的用于飞行器的自动驾驶仪，其特征在于，所述姿态传感器组包括九个传感器：
沿飞行器坐标系三轴布置的三轴加速度计，用于测量重力加速度飞行器坐标系三轴上的分量；
沿飞行器坐标系三轴布置的三轴磁强计，用于测量地磁感应强度在飞行器坐标系三轴上的分量；
沿飞行器坐标系三轴布置的三轴速率陀螺，用于测量飞行器加速度在飞行器坐标系三轴上的分量。
3、根据权利要求2所述的用于飞行器的自动驾驶仪，其特征在于，所述加速度计为微机电加速度计，所述磁强计为微机电磁强计，所述速率陀螺为微机电速率陀螺。
4、根据权利要求2所述的用于飞行器的自动驾驶仪，其特征在于，所述传感器外围电路包括：与速率陀螺连接的放大滤波电路、与加速度计连接的射随器、与磁强计连接的仪表运放电路。
5、根据权利要求1所述的用于飞行器的自动驾驶仪，其特征在于，所述GPS接收机与第二微处理器连接；所述下行通讯接口与所述第二微处理器连接；所述上行通讯接口与所述第一微处理器连接；所述大气传感器包括高度计和/或空速计，所述高度计和/或空速计通过第一A/D转换器与所述的第一微处理器连接。
6、根据权利要求1所述的用于飞行器的自动驾驶仪，其特征在于，所述驾驶仪内部数据总线为I2C总线。
7、根据权利要求2所述的用于飞行器的自动驾驶仪，其特征在于，还包括一个复位电路，该复位电路连接与第二微处理器与磁强计之间。
8、根据权利要求1所述的用于飞行器的自动驾驶仪，其特征在于，还包括一电源管理电路，所述电源管理电路分两路为驾驶仪中的数字电路和模拟电路供电。
9、根据权利要求1所述的用于飞行器的自动驾驶仪，其特征在于，还包括与上行通讯接口连接的无线接收模块，和与下行通讯接口连接的无线发送模块。
10、根据权利要求1或7或8或9所述的用于飞行器的自动驾驶仪，其特征在于，所述自动驾驶仪集成在一块电路板上。
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