CN203084553U - 一种一体化无人机航电系统装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种一体化无人机航电系统装置，包括飞行控制板、电源供应及GPS定位板、数传电台板；飞行控制板上集成了加速度传感器、角速度传感器、磁航向传感器、气压高度传感器、压差传感器和小型单片机系统装置，能实时测量小型无人机的飞行姿态、高度、空速及航向，各传感器通过I2C总线将测量数据传递给单片机系统；电源供应及GPS定位板集成了稳压模块和GPS模块，使系统能在7V-28V的电源供应下正常工作，并且能够实时测量无人机的飞行位置；数传电台板采用XTend无线数传模块；多块电路板通过板间紧固接插件连接，各板通信使用串行通信接口。本实用新型一体化无人机航电系统装置成本低、结构稳定、抗干扰性强，各个子系统有效的协同工作。

Description

一种一体化无人机航电系统装置
技术领域
本实用新型涉及无人机航空电子设备领域，特别涉及一种一体化无人机航电系统装置。
背景技术
无人机技术已经开始向实用发展，各种无人机航电系统发展日趋成熟，功能也日趋完善，无人机航电系统中包含飞行控制系统、供电系统、导航定位系统、无线电发射系统，各个子系统的分离设计安装使无人机航电系统整体可靠性下降，各个子系统的信号连接部件是系统故障的高发区域，而且各个子系统间的干扰隔离是困扰无人机航电系统设计的关键难题，无人机航电系统的一体化设计能有效降低各子系统通信失误，并且能够在整体上控制相互干扰，提高无人机航电系统的可靠性。
目前无人机航电系统中飞行控制系统的一体化设计较为成功，芯片级航空传感器的发展使飞行控制系统的小型化一体化设计成为可能。一般来说，一体化飞行控制系统在一块集成电路板上集成了加速度传感器、角速度传感器、磁航向传感器、气压高度传感器、压差传感器等测量元件和小型单片机系统，整个电路板统一供电，预留串行通信接口与GPS模块、数传电台等外围模块相连，这样的设计简单灵活，但是在实际使用过程中，有的小型无人机采用弹射起飞，起飞过程中过载冲击较大，各个模块连接件容易发生松动造成航电系统故障。而且，目前使用的小型化数传电台工作峰值电流较大，瞬时的冲击电流给整个电路造成较大的纹波干扰，芯片级航空传感器对电源纹波较为敏感，尤其是磁航向传感器，在纹波电压的影响下，测量精度直线下降。分离模块的航电系统设计在各个模块电气连接部分大量使用滤波磁环，虽然滤波效果明显，但是在小型无人机飞行过程中，滤波磁环位置容易发生变动，机舱内磁环境相应发生变化，使磁航向传感器测量造成较大误差。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供，无人机航电系统的一体化设计能有效降低各子系统通信失误，并且能够在整体上控制相互干扰，提高无人机航电系统的可靠性。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种一体化无人机航电系统装置，其特征在于，包括飞行控制板、电源供应及GPS定位板、数传电台板，所述飞行控制板、电源供应及GPS定位板、数传电台板之间通过板间紧固接插件连接；
所述飞行控制板用于测量无人机的飞行姿态、高度、空速及航向，根据测量的数据控制无人机飞行姿态，并将测量的数据通过串行接口发送到数传电台板的数传模块；
所述电源供应及GPS定位板用于对机载电源进行降压稳压后供应给飞行控制板和数传电台板，实时测量无人机的飞行位置并通过串行接口发送给飞行控制板；
所述数传电台板用于接收无人机地面控制站的遥控指令并通过串行接口发送给飞行控制板，并将接收的飞行控制板的测量数据发送给无人机地面控制站。
在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进：
进一步，所述飞行控制板、电源供应及GPS定位板、数传电台板之间通过六角铜柱紧固连接，飞行控制板与电源供应及GPS定位板通过2×4（2.54毫米间距）排母排针连接，电源供应及GPS定位板与数传电台板通过2×10（2.0毫米间距）排母排针连接。
进一步，所述飞行控制板包括加速度传感器、角速度传感器、磁航向传感器、气压高度传感器、压差传感器和单片机系统装置，所述加速度传感器、角速度传感器、磁航向传感器、气压高度传感器、压差传感器分别用于测量无人机飞行俯仰角、倾斜角、三轴向地磁分量、高度、空速并通过I2C总线将测量数据传递给单片机系统装置，I2C（Inter－Integrated Circuit)总线是一种两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。
进一步，所述气压高度传感器为单晶半导体压阻式气压高度传感器。
进一步，所述磁航向传感器中设有高精度三轴数字罗盘芯片，航向计算采用卡尔曼滤波算法。
进一步，所述电源供应及GPS定位板包括直流稳压模块、滤波模块、GPS模块，所述直流稳压模块用于对机载电源进行降压稳压，所述滤波模块用于滤除数传电台板工作峰值电流造成的纹波电压干扰，所述GPS模块用于实时测量无人机的飞行位置。
进一步，所述数传电台板的数传模块为XTend数传模块，XTend数传模块是一款远距离、低功率的OEM数传模块。
本实用新型的有益效果是：本实用新型一体化设计能有效降低各子系统通信失误，且各个子系统能够有效的协同工作、互不干扰，提高了无人机航电系统的可靠性，且成本低、结构稳定、抗干扰性强，本实用新型一体化小型无人机机载航电系统在电源供应及GPS定位板上设计了RC滤波电路，完成了电路纹波干扰的滤除，并且保证磁航向传感器周边磁环境的相对稳定，在经过罗差修正后能够保证磁航向测量的准确。
附图说明
图1为本实用新型系统结构示意图；
图2为本实用新型系统供电结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、加速度传感器，2、角速度传感器，3、磁航向传感器，4、气压高度传感器，5、压差传感器，6、单片机，7、GPS模块，8、数传模块。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
如图1所示，一体化小型无人机航电系统包括飞行控制板、电源供应及GPS定位板和数传电台板。飞行控制板实时测量飞行姿态、高度、空速等信息，完成姿态自稳控制、定高控制和定向控制；电源供应及GPS定位板从机载锂电池接受电源供应并完成降压稳压，供飞行控制板和数传电台板使用，并且板上GPS模块实时测量无人机飞行位置，通过串行接口发送给飞行控制板；数传电台板接受地面控制站的遥控指令通过串行接口发送给飞行控制板，并且接受飞行控制板的遥测数据发送给地面控制站。
如图2所示，为一体化小型无人机航电系统供电结构，电源供应及GPS定位板上采用开关型降压稳压器将输入的7V-28V直流电稳压到5V输出，输出的5V直流电通过高PSRR低压降CMOS线性稳压器稳压到3V输出给GPS模块单独使用，5V直流电还通过600mA CMOS型低压线性稳压器稳压到3.3V输出给单片机、加速度传感器、角速度传感器、气压高度传感器、磁航向传感器等飞行控制板上的器件，最后5V直流电通过RC滤波电路接入数传模块。
输入数传模块的电源经过RC滤波电路进行波纹滤波，同时阻止数传模块在发送数据产生较大电流冲击时，减小对其余电路的影响。
飞行控制系统通过加速度传感器和角速度传感器融合测量无人机飞行姿态，即俯仰角和倾斜角。加速度传感器和角速度传感器均可独立测量飞行姿态，加速度传感器没有累计误差，可以长时间测量精度，但在瞬时冲击的影响下测量容易受到影响；角速度传感器动态测量效果好，但是在积分测量姿态角的过程中具有累计误差。本实用新型中采用融合算法将加速度传感器和角速度传感器的测量数据进行融合处理，实现飞行姿态角的精确测量。具体实现包含即时融合和长效融合。加速度传感器和角速度传感器测量数据即时融合中，加速度传感器测量数据进行平均滤波，消除瞬时冲击的不良影响。实时计算加速度传感器和角速度传感器在前后两个控制周期（本实施例中设置3ms的控制周期）内测量姿态角的变化值，当加速度传感器和角速度传感器测量得到的姿态角的变化值差异在设置的阈值内，使用加速度传感器测量得到的姿态角修正角速度传感器测量得到的姿态角，修正中将误差进行衰减。加速度传感器和角速度传感器测量数据长效融合中，在即时融合的基础上，记录多个控制周期（本实施例中设置为200个控制周期）加速度传感器与角速度传感器测量姿态角的误差值，利用平均值修正角速度测量零位。
飞行控制系统通过控制代码实现了三种控制模式，控制模式包含：姿态自稳控制模式、定高控制模式、定向控制模式，各种模式可进行叠加。
姿态自稳控制模式包含纵向和横向两个稳定控制回路。纵向稳定控制回路中，加速度传感器和角速度传感器测量数据融合得到俯仰角，根据PD（比例-微分）控制程序计算升降舵舵偏角，通过单片机I/O端口发送相应PWM波控制升降舵机运动。横向稳定控制回路中，加速度传感器和角速度传感器测量数据融合得到倾斜角，根据PD（比例—微分）控制程序计算副翼舵偏角，通过单片机I/O端口发送相应PWM波控制副翼舵机运动。
定高控制模式中，使用高精度气压高度传感器测量飞行高度，将启动定高控制模式的当前高度测量值作为高度稳定值，启动定高控制模式后，将高度偏差作为PD（比例-微分）控制程序的输入，计算升降舵舵偏角，通过单片机I/O端口发送相应PWM波控制升降舵机运动。启动定高控制模式时自动启动姿态自稳控制模式的横向稳定回路，姿态自稳控制模式的纵向稳定回路在俯仰角超出-10°～15°时启动，将实时测量俯仰角与-10°或者15°的偏差作为纵向稳定控制回路PD（比例-微分）控制程序的输入，计算升降舵舵偏角。在定高控制模式中，当高度偏差为负，飞机处于爬升运动时，将高度偏差量正比增大油门，提高飞机动力，补偿爬升的速度损失。
定向控制模式中，使用高精度磁航向传感器测量航向角，将启动定向控制模式的当前航向测量值作为航向稳定值，启动定向控制模式后，将航向偏差作为PD（比例-微分）控制程序的输入，计算副翼的舵偏角，通过单片机I/O端口发送相应PWM波控制副翼舵机运动。启动定向控制模式时自动启动姿态自稳控制模式的纵向稳定回路，姿态自稳控制模式的横向稳定回路在倾斜角超出-20°～20°时启动，将实时测量倾斜角与-20°或者20°的偏差作为横向稳定控制回路PD（比例-微分）控制程序的输入，计算副翼舵偏角。
磁航向传感器易受到电磁环境干扰，在工作过程中，航向测量易发生跳动，在定向控制模式中，这种跳动会影响无人机姿态稳定，本实用新型中使用卡尔曼滤波对航向测量数据进行平滑滤波，在多个测量周期中（本实施例中设置为10个航向测量周期），将每个测量值与平均值的偏差作为测量值的置信权重，偏差较大的测量值对输出航向的作用相对较小。飞机上的铁磁材料对地磁场的影响，会使磁航向传感器所在位置的磁场发生变化。本实用新型中设计了罗差修正程序，罗差修正程序工作过程如下：
a)由地面站向一体化小型无人机航电系统发送XY轴向地磁补偿开始命令。
b)使飞机处于水平，转动飞机做偏航运动一周，记录磁航向传感器在X轴向和Y轴向上的最大和最小测量值（Xmax、Xmin、Ymax、Ymin），然后计算X轴向和Y轴向的误差偏移量εX=Xmax﹣(Xmax﹣Xmin)/2，εY=Ymax﹣(Ymax﹣Ymin)/2。
c)由地面站向一体化小型无人机航电系统发送XY轴向地磁补偿结束命令。
d)由地面站向一体化小型无人机航电系统发送XZ轴向地磁补偿开始命令。
e)使飞机处于水平，且使机头朝向正东或者正西，转动飞机做滚转运动一周，记录磁航向传感器在Z轴向上的最大和最小测量值（Zmax、Zmin），然后计算Z轴向的误差偏移量εZ=Zmax﹣(Zmax﹣Zmin)/2。
f)由地面站向一体化小型无人机航电系统发送XZ轴向地磁补偿结束命令。
g)由地面站向一体化小型无人机航电系统发送误差偏移写入命令，将三个轴向上的误差偏移写入飞行控制板上的EEPROM。
本实施例中飞行控制板上使用的EEPROM芯片为CAT1025，并且将CAT1025作为飞行控制板的看门狗芯片，将STM32F103的I2C总线时钟信号连接到CAT1025，当I2C总线时钟信号长时间停止时，系统重启。飞行控制板中使用的单片机6为STM32F103C8单片机。飞行控制板中加速度传感器1具体型号为ADXL345，角速度传感器2具体型号为L3G4200D，磁航向传感器3具体型号为HMC5883L，气压高度传感器4具体型号为BMP085，压差传感器5具体型号为MPXV7002DP；电源供应及GPS定位板中GPS模块7具体型号为LEA-5H；稳压模块③具体型号为AME8805，将7V-28V输入直流电稳压到5V输出的稳压模块①的具体型号为LM2576，将5V直流电稳压到3V输出供GPS模块7使用的稳压模块②的具体型号为PAM3101；滤波模块RC滤波电路中，电容选择220μF电解电容，电感选择100μH功率电感；数传模块8为XTend900MHz OEM无线射频模块。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种一体化无人机航电系统装置，其特征在于，包括飞行控制板、电源供应及GPS定位板、数传电台板，所述飞行控制板、电源供应及GPS定位板、数传电台板之间通过板间紧固接插件连接；
所述飞行控制板用于测量无人机的飞行姿态、高度、空速及航向，根据测量的数据控制无人机飞行姿态，并将测量的数据通过串行接口发送到数传电台板的数传模块；
所述电源供应及GPS定位板用于对机载电源进行降压稳压后供应给飞行控制板和数传电台板，实时测量无人机的飞行位置并通过串行接口发送给飞行控制板；
所述数传电台板用于接收无人机地面控制站的遥控指令并通过串行接口发送给飞行控制板，并将接收的飞行控制板的测量数据发送给无人机地面控制站。
2.根据权利要求1所述一种一体化无人机航电系统装置，其特征在于，所述飞行控制板、电源供应及GPS定位板、数传电台板之间通过六角铜柱紧固连接，飞行控制板与电源供应及GPS定位板通过排母排针连接，电源供应及GPS定位板与数传电台板通过排母排针连接。
3.根据权利要求1所述一种一体化无人机航电系统装置，其特征在于，所述飞行控制板包括加速度传感器、角速度传感器、磁航向传感器、气压高度传感器、压差传感器和单片机系统装置，所述加速度传感器、角速度传感器、磁航向传感器、气压高度传感器、压差传感器分别用于测量无人机飞行俯仰角、倾斜角、三轴向地磁分量、高度、空速并通过I2C总线将测量数据传递给单片机系统装置。
4.根据权利要求3所述一种一体化无人机航电系统装置，其特征在于，所述气压高度传感器为单晶半导体压阻式气压高度传感器。
5.根据权利要求3或4所述一种一体化无人机航电系统装置，其特征在于，所述磁航向传感器中设有高精度三轴数字罗盘芯片。
6.根据权利要求1、2或3所述一种一体化无人机航电系统装置，其特征在于，所述电源供应及GPS定位板包括直流稳压模块、滤波模块、GPS模块，所述直流稳压模块用于对机载电源进行降压稳压，所述滤波模块用于滤除数传电台板工作峰值电流造成的纹波电压干扰，所述GPS模块用于实时测量无人机的飞行位置。
7.根据权利要求1、2或3所述一种一体化无人机航电系统装置，其特征在于，所述数传电台板的数传模块为XTend数传模块。
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