CN204790571U - 四旋翼飞行器的飞行控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种四旋翼飞行器的飞行控制系统，属于飞行器控制领域，为了解决四旋翼飞行器在飞行过程中航迹方向与机体航向不重合的问题，技术要点是：包括飞控处理器，其分别与姿态传感器、气压高度传感器、地磁传感器、偏振光传感器、GPS导航系统、数传电台和外接存储器相连接；所述偏振光传感器和地磁传感器为用于测量四旋翼飞行器飞行时的机体航向角的传感器；所述外接存储器为用于存储四旋翼飞行器飞行过程中的飞行数据以保存四旋翼飞行器飞行过程中的配置参数的存储器。本实用新型的技术方案使得四旋翼飞行器在飞行过程中航迹方向与机体航向相重合。
Description
技术领域
本实用新型属于飞行控制领域，尤其涉及一种四旋翼飞行器的飞行控制系统。
背景技术
不载人飞机又称无人机，主要通过地面远程控制飞行或者按照事先烧写的飞行计划进行飞行。无人机具有很多诸如质量小、机动性较强、续航能力强等优点，且同时兼具小型化和便于隐藏的特点，而无人机中的四旋翼飞行器，主要由飞行控制系统、传感器模块、机架和执行单元组成，其中，飞行控制系统基本都是通过基于三个正交安装的陀螺仪和加速度计构成的微小型测量单元(IMU)与GPS进行组合导航，四旋翼飞行器在飞行过程中，由于GPS模块只能测量机体的航迹方向，无法测量四旋翼的航向，导致飞行过程会存在航迹方向与机体航向不重合的问题，直接降低了飞行器的灵敏度和控制精度，比如发生偏离预定轨迹的情况发生。
此外，现有的四旋翼飞行器实际飞行过程中，会产生包括飞行姿态数据、传感器原始数据和控制信息等大量的飞行参数；同时，飞行器配置参数也很多，包括飞行模式、自动飞行航点、PID调节参数等，而处理芯片的存储空间有限，当处理器掉电时，内存数据会被清空，造成数据丢失。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种四旋翼飞行器的飞行控制系统，以保证四旋翼飞行器在飞行过程中航迹方向与机体航向相重合。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种四旋翼飞行器的飞行控制系统，包括飞控处理器，其分别与姿态传感器、气压高度传感器、地磁传感器、偏振光传感器、GPS导航系统、数传电台和外接存储器相连接。
作为技术方案的补充，所述姿态传感器为用于测量四旋翼飞行器飞行时的角加速度和线加速度，且将其解算为姿态角度的传感器；所述偏振光传感器和地磁传感器为用于测量四旋翼飞行器飞行时的机体航向角的传感器；所述气压高度传感器用于测量四旋翼飞行器飞行时的高度的传感器；所述GPS导航系统为用于测量四旋翼飞行器飞行过程中的地理位置信息和地速信息的导航系统；所述数传电台为用于向地面站实时传输四旋翼飞行器在飞行过程中产生的飞行信息的电台；所述外接存储器为用于存储四旋翼飞行器飞行过程中的飞行数据以保存四旋翼飞行器飞行过程中的配置参数的存储器。
作为技术方案的补充，四旋翼飞行器的飞行控制系统还包括与飞控处理器连接，且为用于接收地面站的遥控发射机发射的控制信号的遥控接收机。
作为技术方案进一步的补充，四旋翼飞行器的飞行控制系统还包括通过UART接口与飞控处理器连接，且为用于下载程序的程序下载接口。
有益效果：上述技术方案采用地磁传感器和偏振光传感器的组合，用于精确测量四旋翼飞行器飞行时的机体航向角，避免了飞行过程会航迹方向与机体航向不重合的现象，可实现航迹方向与机体航向高度重合。此外，该飞行控制系统通过外接存储器，以存储四旋翼飞行器飞行过程中的飞行数据以保存四旋翼飞行器飞行过程中的配置参数的存储器，避免了系统掉电后内存数据被清空导致的数据丢失的现象。
附图说明
图1为本实用新型实施例1的四旋翼飞行器的飞行控制系统的结构框图。
具体实施方式
一种四旋翼飞行器的飞行控制系统，包括飞控处理器，其分别与姿态传感器、气压高度传感器、地磁传感器、偏振光传感器、GPS导航系统、数传电台、外接存储器、遥控接收机和程序下载接口相连接；所述姿态传感器为用于测量四旋翼飞行器飞行时的角加速度和线加速度，且将其解算为姿态角度的传感器；所述偏振光传感器和地磁传感器为用于测量四旋翼飞行器飞行时的机体航向角的传感器；所述气压高度传感器用于测量四旋翼飞行器飞行时的高度的传感器；所述GPS导航系统为用于测量四旋翼飞行器飞行过程中的地理位置信息和地速信息的导航系统；所述数传电台为用于向地面站实时传输四旋翼飞行器在飞行过程中产生的飞行信息的电台；所述外接存储器为用于存储四旋翼飞行器飞行过程中的飞行数据以保存四旋翼飞行器飞行过程中的配置参数的存储器；遥控接收机为用于接收地面站的遥控发射机发射的控制信号的接收机；程序下载接口通过UART接口与飞控处理器连接，且用于下载程序。
具体的，飞控处理器是飞行控制系统最核心的部件，是控制中心，其用于采集外接设备测量的数据，对数据进行处理、解算，获得机体实时的飞行参数，根据控制指令或者提前规划的轨迹产生控制指令，驱动执行模块对四旋翼进行控制。本实施例采用美国爱特梅尔公司的ATmega2560芯片作为飞行控制系统的飞控处理器，该型号芯片采用AVR内核，AVR内核是哈佛结构，采用单独的数据总线和程序总线，该型号芯片技术成熟，在市场上被大量应用，具有良好的运算稳定性和性能，其特点是运算速度高、功耗低、可靠性高、价格低廉等。
姿态传感器包括陀螺仪和加速度传感器，其中，陀螺仪基于角动量守恒原理，属于测量角速度传感器，输出载体绕测量轴转动的角速度；不考虑参考信号，即可测出载体的姿态变化，在飞行器、汽车和手机等产品有广泛的应用。加速度传感器是一种能够测量载体空间运动的线加速度的传感器，测量的值主要包括重力加速度和运动线加速度。本实施例采用美国Invensense公司生产的MPU-6000芯片作为姿态传感器，该芯片属于整合性六轴运动处理芯片，将陀螺仪和加速度传感器整合到一起，避免了分开使用时陀螺仪和加速度传感器时间轴不同步的问题，节省了硬件空间。
气压高度传感器的原理是测量载体所在高度的气压值，气压值与高度有关系，因而可将气压值转化为所在位置的高度，而由于温度变化会影响气压值，可能同一海拔高度，因为温度不同，气压值会有不同，因此我们需要考虑温度对气压高度传感器测量精度的影响，本实施例采用BOSCH公司的BMP085气压高度传感器，它的特点是测量精度较高、功耗较低，主要由控制单元、压阻传感器、模数转换器和I2C接口构成。
本实施例中，地磁传感器采用霍尼韦尔公司的HMC5883L地磁传感器，该传感器是一种表面贴装、成本低和集成度很高的模块，主要由高分辨率的HMC118X系列磁阻传感器、信号放大器、自动消磁驱动器和12位模数转换器组成。
本实施例中的偏振光传感器的主要包括偏振光检测单元、模数转换单元、数据处理单元和串口接口。偏振光传感器测量自身体轴与所在地理位置的正北方向的夹角，进而推算出载体的航向角。
本实施例采用GPS测量地理位置和地速，GPS即全球定位系统，通过在地球太空轨道运行的卫星，进行载体的定位、测速和授时。作为精度最高的定位系统，被广泛应用到航空、航海和测绘等领域。GPS能够提供全天候、精确、全球性的导航和定位功能。本实施例中的GPS导航系统采用u-blox公司的LEA-6H定位模块与有源GPS天线构成的GPS模块。
本实施例采用频率为915MHz、功率为250mW的数传电台，该数传电台体积较小，适合运用在小型无人机上，丢包率较低，保证了数据的完整性。
本实施例采用AT45DB161D存储芯片作为外接存储，该芯片内存16Mbit，可以在低电压情况下工作，并能够反复擦除，接口类型是SPI接口，访问时间较短，提高数据存储速度。使用ATmega2560的UART3的SPI模式与AT45DB161D进行物理连接和数据通信。
本实施例的遥控接收机采用的是深圳天地飞公司的WFT08遥控器，具体为WFR08-P遥控接收机，该型号遥控器最高可发送8通道PWM信号，以70MHz的频率与遥控接收机进行通信。
其中，姿态传感器、气压高度传感器和地磁传感器通过I2C总线接口与飞控处理器连接并通信，偏振光传感器与飞控处理器通过RS232串口连接并通信，遥控接收机与飞控处理器通过PWM接口与PPM接口连接并通信，程序下载接口和外接存储器与飞控处理器通过UART接口连接并通信。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种四旋翼飞行器的飞行控制系统，其特征在于：包括飞控处理器，其分别与姿态传感器、气压高度传感器、地磁传感器、偏振光传感器、GPS导航系统、数传电台和外接存储器相连接。
2.如权利要求1所述的四旋翼飞行器的飞行控制系统，其特征在于：所述姿态传感器为用于测量四旋翼飞行器飞行时的角加速度和线加速度，且将其解算为姿态角度的传感器；所述偏振光传感器和地磁传感器为用于测量四旋翼飞行器飞行时的机体航向角的传感器；所述气压高度传感器用于测量四旋翼飞行器飞行时的高度的传感器；所述GPS导航系统为用于测量四旋翼飞行器飞行过程中的地理位置信息和地速信息的导航系统；所述数传电台为用于向地面站实时传输四旋翼飞行器在飞行过程中产生的飞行信息的电台；所述外接存储器为用于存储四旋翼飞行器飞行过程中的飞行数据以保存四旋翼飞行器飞行过程中的配置参数的存储器。
3.如权利要求1或2所述的四旋翼飞行器的飞行控制系统，其特征在于：还包括与飞控处理器连接，且为用于接收地面站的遥控发射机发射的控制信号的遥控接收机。
4.如权利要求1或2所述的四旋翼飞行器的飞行控制系统，其特征在于：还包括通过UART接口与飞控处理器连接，且为用于下载程序的程序下载接口。
5.如权利要求3所述的四旋翼飞行器的飞行控制系统，其特征在于：还包括通过UART接口与飞控处理器连接，且为用于下载程序的程序下载接口。
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