CN203982176U - 基于Cortex-M3无人机智能控制系统 - Google Patents

基于Cortex-M3无人机智能控制系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了基于Cortex-M3无人机智能控制系统，提出了一种基于双STM32芯片的智能控制系统设计方法与具体实现方案。所述无人机智能控制系统以2个STM32F107芯片作为主从控制器，通过高速SPI接口进行数据通信，保证控制阶段的实时性。所述主控制器包括地磁和气压传感器、IMU模块、GPS模块、遥控接收机和XBEE模块，主要用于实现与地面站通信、数字信号采集、导航数据融合和推算以及速度和位置控制等功能；所述从控制器主要包括陀螺仪和加速度传感器、电机驱动及SD卡等，主要用于完成模拟信号采集、姿态控制、电机控制等功能。本实用新型具有可靠，运算处理能力强，实时性好，稳定性高特点，实现了自主飞行，为实现该类无人机自主飞行研究提供了一种新的思路。

Description

基于Cortex-M3无人机智能控制系统
技术领域
本实用新型涉及无人机控制技术，具体涉及基于Cortex-M3无人机智能控制系统。
背景技术
微小型多旋翼无人机(MMR)是指具有多于两个旋翼的飞行器。随着嵌入式处理器、传感器、导航、通信、动力与能源供给以及控制理论等技术的发展，具有广阔军事和民用前景的微小型多旋翼无人机的研究与开发已经取得了很大的进展，并逐步应用于军事侦察、高空拍摄、交通监控以及自然灾害勘察等领域，因此搭建飞行控制系统平台对深入研究微小型多旋翼无人机自主飞行具有重要的现实意义。
目前市场上飞行控制系统采用ARM7、DSP等高速处理器作为控制芯片，该类单芯片飞控系统要求在一个控制周期内完成数据采集、处理、控制运算以及指令输出，同时还需要将数据输出到监控系统，过重的负荷影响了系统的可靠性和实时性。针对上述问题，设计了一种双芯片飞行控制系统，采用2个STM32处理器同时分工协作的机制，完成自主飞行控制的任务。
实用新型内容
本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供基于Cortex-M3无人机智能控制系统。
本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：本实用新型提供了基于Cortex-M3无人机智能控制系统，本实用新型包括双芯片飞控部分和地面控制站部分。
所述双芯片飞控部分包括主控模块和从控模块两部分，所述主、从控制模块之间通过高速SPI接口进行双机通信。
所述主控模块包括主控制器、气压传感器、地磁传感器、IMU模块、GPS模块、遥控接收机和XBEE模块。
所述气压传感器、所述地磁传感器以及所述GPS模块采集的均是数字信号量，相对较简单。
所述气压传感器用于采集大气的绝对压强；所述地磁传感器用于感应地磁场的变化，指示飞行器的姿态和运动角度等信息；所述GPS模块用于采集无人机飞行时所处的具体位置。
所述IMU模块用于验证控制板上各种传感器的性能并估算姿态角的准确性。
所述遥控接收机用于接收遥控器发射的无线信号，通过串口送给所述主控制器。
所述XBEE模块采用2.4GHz与地面控制站进行无线通信
所述从控模块包括从控制器、加速度传感器、陀螺仪传感器、电机驱动、电源。
所述主、从控制器选用意法半导体公司的32位微处理器互联型STM32即STM32F107VCT6，最高时钟频率72MHz，具有丰富的硬件接口资源以及强大的DMA控制方式。
所述加速度传感器、所述陀螺仪传感器采集的都是模拟量信号。
所述加速度传感器选用三轴加速度传感器ADXL335，用于测量空间加速度。
所述电机驱动与从控制器之间进行了信号隔离处理，为无人机提供动力。
所述电源用于给所述主控制器和所述从控制器供电，设计时进行了电源隔离处理。
所述地面控制站部分包括XBEE模块、上位机系统和遥控发射机三部分。
所述XBEE模块通过串口与其他设备连接，用于无线通信；所述上位机系统用于显示多旋翼无人机飞行姿态参数显示等；所述遥控发射机用于输入控制指令，控制飞行的角度，姿态等。
本实用新型的进一步改进包括：
所述气压传感器和所述地磁传感器通过IIC总线与主控制器进行数据通信。
所述SD卡和所述加速度传感器通过IIC总线与从控制器进行数据通信。
所述XBEE模块选用2.4GHz,低功耗，远距离的Xbee-Pro模块,采用与Zigbee/IEEE802.15.4兼容的解决方案。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型针对目前飞行控制系统都采用单一高速处理器作为控制芯片，在一个控制周期内完成数据采集和处理、控制元素以及指令输出，同时还要将数据输出到监控系统，这样就导致系统负荷过重，存在实时性差、可靠性低等问题，设计了基于Cortex-M3无人机智能控制系统，它包括双芯片飞控部分和地面控制站部分。系统以2个STM32F107芯片作为主从控制器，通过高速SPI接口进行数据通信，保证控制阶段的实时性。主控制器主要用于实现与地面站通信、数字信号采集、导航数据融合和推算以及速度和位置控制等功能，而从控制器主要用于完成模拟信号采集、姿态控制、电机控制、数据存储等功能。本实用新型具有可靠性高，运算处理能力强，实时性好，稳定性好等特点，实现了自主飞行，为实现该类无人机自主飞行研究提供了一种新的思路。
附图说明
图1是本实用新型飞行器硬件结构示意图。
图2是本实用新型地面控制站结构示意图。
具体实施方式
本实用新型主要由双芯片飞控部分和地面控制站部分组成，下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明：
如图1所示，本实用新型飞行器硬件结构包括主控制器1、从控制器2、气压传感器3、地磁传感器4、IMU模块5、GPS模块6、遥控接收机7、XBEE模块8、SD卡9、加速度传感器10、陀螺仪传感器11、电机驱动12和电源13。
所述主控制器1主要用于实现与地面站通信、数字信号采集、导航数据融合和推算以及速度和位置控制等功能。
所述从控制器2主要用于完成模拟信号采集、姿态控制、电机控制、数据存储等功能。
所述主控制器1与从控制器2之间通过SPI接口进行通信。
所述气压传感器3主要用于采集大气的绝对压强，通过IIC与主控制器进行连接通信。
所述地磁传感器4主要用于感应地磁场的变化，指示飞行器的姿态和运动角度等信息，通过IIC与主控制器进行连接通信。
所述IMU模块5主要用于验证控制板上各种传感器的性能并估算姿态角的准确性。
所述GPS模块6主要用于定位无人机的位置，通过UART与主控制器进行通信。
所述遥控接收机7主要用于接收地面遥控器发射的信号，并通过UART传送给主控制器。
所述XBEE模块8主要用于无线通信。
所述SD卡9主要用于存储设置参数等数据。
所述加速度传感器10主要用于垂直和水平方向加速度。
所述陀螺仪传感器11主要用于测量角速度。
所述电机驱动12主要用于接收从控制器发送来的指令，控制电机的运转方式与速度。
所述电源13主要用于给整个系统提供稳定的电压，保证系统可靠工作。
本实用新型的工作原理：首先地面人员通过操作遥控器送入飞行命令，通过遥控发射机发送指令给双芯控制器，接收机接收指令并通过UART输送给主控制器，主控制器通过SPI将指令送给从控制器，从控制器解码后通过串口发送指令给电机控制电机的运转。与此同时主从控制器开始采集信号并处理，然后根据计算结果及时调整无人机的状态，通过分工协作，最终使其完成自主飞行的任务。
以上实施例并非仅限于本实用新型的保护范围，所有基于本实用新型的基本思想而进行的修改或变动都属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.基于Cortex-M3无人机智能控制系统，其特征在于：包括双芯片飞控部分和地面控制站部分，所述双芯片飞控部分包括主控模块和从控模块两部分，所述主、从控制模块之间通过高速SPI接口进行双机通信，采用2个STM32处理器同时分工协作的机制，完成自主飞行控制的任务。
2.根据权利要求1所述的基于Cortex-M3无人机智能控制系统，其特征在于：所述主控制器包括地磁和气压传感器、IMU模块、GPS模块、遥控接收机和XBEE模块，主要用于实现与地面站通信、数字信号采集、导航数据融合和推算以及速度和位置控制等功能。
3.根据权利要求1所述的基于Cortex-M3无人机智能控制系统，其特征在于：所述从控制器主要包括陀螺仪和加速度传感器、电机驱动及SD卡等，主要用于完成模拟信号采集、姿态控制、电机控制等功能。
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