CN204989980U - 一种变桨距多旋翼飞行器控制器 - Google Patents
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Abstract
一种变桨距多旋翼飞行器控制器，包括主控芯片、从控芯片、电源、传感器模块、GPS传感器、光流传感器）、舵机和电子调速器；其中，主控芯片通过USB接口与从控芯片连接，从控芯片将收集的数据传给主控芯片，主控芯片对数据进行处理后，将控制指令反馈给从控芯片；从控芯片作为主控芯片的备份控制系统，正常工作时，从控芯片受主控芯片控制，当主控芯片出现故障时，从控芯片将接管飞行器控制器。
Description
技术领域
本实用新型涉及航空技术领域，更具体地说，本实用新型涉及一种变桨距多旋翼飞行器的飞行控制器。
背景技术
多旋翼飞行器因为其简单、稳定和小型化的特点，近年来得到了广泛的应用。多旋翼飞行器的飞行原理决定了其飞行控制系统必须依靠电子系统实现自动化控制，因此，飞行控制器的性能在一定程度上决定了多旋翼飞行器的飞行性能，飞行控制器故障极有可能直接导致坠机事故。变桨距多旋翼是新一类多旋翼飞行器，其在载重和续航上相对于传统定桨距多旋翼的优势使得变桨距多旋翼有着良好的应用前景。目前市售多旋翼飞行控制器主要面向定桨距多旋翼，由于变桨距多旋翼和定桨距飞行器在飞行原理上的不同，有必要对变桨距飞行器的飞行控制器进行重新设计。
专利文献CN103950537A公开了一种变距飞行器的控制方法和控制装置。其采用了多模式设计原理，实现姿态模式、手动模式和GPS模式切换，来实现多旋翼变距飞行器的控制。但是该方案存在以下缺点：首先是不具有安全冗余功能，一旦CPU发生故障，将导致该飞行控制器失去控制；其次，该方案主要通过GPS来测量位置，而一旦GPS发生故障或者在特殊环境中无法接收到GPS信号时，将导致无法定位，影响无人机的控制。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种高可靠的变桨距多旋翼飞行控制器，能够使得飞行器在控制芯片发生故障时，依然能够可控。
本发明采用以下技术方案来实现：
一种变桨距多旋翼飞行器控制器，包括主控芯片、从控芯片、电源、传感器模块、GPS传感器、光流传感器、舵机和电子调速器；
其中，主控芯片用于自动规划路线，自动巡航、实时本地数据处理，从控芯片用于实现基本飞行控制指令；主控芯片通过USB接口与从控芯片连接，从控芯片将收集的数据传给主控芯片，主控芯片对数据进行处理后，将控制指令反馈给从控芯片2；从控芯片作为主控芯片1的备份控制系统，正常工作时，从控芯片2受主控芯片1控制，当主控芯片1出现故障时，从控芯片2将接管飞行控制器；
舵机与飞行器的变桨距系统相连，用来控制旋翼的螺距变化；
电子调速器与电机连接，用于控制旋翼的转速；
电源8为主控芯片1和从控芯片2供电；
传感器模块5通过SPI接口与从控芯片2连接；
GPS传感器9通过串口将GPS定位信息发送给从控芯片2；
光流传感器10通过I2C接口将光流数据发送给从控芯片2；
根据GPS传感器和光流传感器获得的数据实现协同定位。
本实用新型的有益效果是：与传统的飞行控制器相比，通过合理的主从控制芯片设计，实现最高的系统可靠性，同时主从控制芯片具有更强的计算处理性能，可以实现复杂的控制策略。并且，控制器采用GPS传感器和光流传感器协同定位技术，能够实现复杂环境下的良好控制性能。
附图说明
图1是本实用新型的飞行器控制器的系统架构图
图2是本实用新型的变桨距多旋翼飞行器的整体示意图
具体实施方式
现结合附图对技术方案作进一步描述：图1是本技术方案的飞行器控制器的系统架构图。
如图1所示，为本方案的嵌入式变桨距多旋翼飞行控制器系统总体架构。其中，控制模块包括了两个芯片：一个为主控芯片1，采用ARMA832位嵌入式芯片，由于该芯片的处理能力强大，可以用于复杂的飞行控制。该芯片主要用于自动规划路线，自动巡航，实时本地数据处理，例如通过图像识别避撞等飞行控制策略；另一个为从控芯片2，采用STM32位单片机，用于实现自稳、混控等基本飞行控制指令。
主控芯片1通过USB接口与从控芯片2连接，从控芯片将收集的传感器数据、执行机构控制器数据传给主控芯片1，主控芯片1通过预设的算法对数据进行处理，将控制指令反馈给从控芯片2，实现飞行器自主控制。
从控芯片2作为飞行控制器的备份控制系统，主控芯片1正常工作时，从控芯片2受主控芯片1控制，当主控芯片1出现故障时，从控芯片2将接管飞行控制器，保证飞行器仍然可控，最大程度减少因飞行控制器故障造成的飞行事故。
电池7作为电源向主控芯片1和从控芯片2供电。电池7可以是锂电池，也可以采用其他的类型的电池，例如太阳能电池。
主控芯片1分别与存储卡4和无线通信接口3连接，分别作为本地存储和实时数据传输的接口。其中存储卡4可以是SD卡、XD卡、CF卡等存储介质；无线通信接口3可以是WIFI接口，Zigbee接口，WAPI接口等。
从控芯片2连接传感器模块5，传感器模块5中包括飞行控制器的各种传感器。其中，加速度计、陀螺仪、磁罗盘、气压计作为飞行控制所需的基本传感器通过SPI（串行外设）接口与从控芯片2连接，分别回传飞行器当前加速度、倾角、航向和高度数据。
从控芯片2通过PWM输出接口与舵机6和控制电机的电子调速器12连接。其中电机用来控制旋翼的转速。但是与普通定桨距飞行器不同，本技术方案中的舵机（6）与飞行器的变桨距系统相连，用来控制旋翼的螺距变化，由于舵机（6）对旋翼螺距的调节远远快于电机对旋翼转速的调节，因此通过向舵机6输出PWM脉宽调制信号，可以实现对舵机（6）的快速精确控制。图2示出了变桨距多旋翼飞行器的整体示意图，其中舵机（6）和电机设置在图2中的电机安装座的位置。
从控芯片2通过SBUS接口与接收机11连接，接收机11接收遥控器的控制指令并将指令传递给从控芯片2，再通过从控芯片2控制舵机6、电机做与控制指令相对应的响应实现对飞行器的远程遥控。
为了实现精确定位，本技术方案还采用了GPS传感器9和光流传感器10的协同定位技术。现有技术中广泛采用的是GPS定位技术，然而GPS定位存在的缺点是：在复杂环境，特别是室内环境中，GPS信号将不能获得卫星信号，从而无法实现无人机的定位。而光流传感器能够有效弥补GPS定位的缺点。具体做法如下：GPS传感器9将实时GPS定位信息通过串口发送给从控芯片2，光流传感器10集成了超声波测距单元，通过I2C接口将光流数据回传给从控芯片2，通过GPS与光流的协同控制，实现飞行器的精确定位，也确保了飞行器的安全控制。其中GPS与光流的协同，可以采用现有的数据融合技术来实现。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本方案的方法及其核心思想。应当指出，在不脱离本方案原理的前提下，还可以对本方案进行若干改进，这些改进也同样落入本方案权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种变桨距多旋翼飞行器控制器，包括主控芯片（1）、从控芯片（2）、电源（8）、传感器模块（5）、GPS传感器（9）、光流传感器（10）、舵机（6）和电子调速器（12）；
其中，主控芯片（1）通过USB接口与从控芯片（2）连接，从控芯片（2）将收集的数据传给主控芯片（1），主控芯片（1）对数据进行处理后，将控制指令反馈给从控芯片（2）；从控芯片（2）作为主控芯片（1）的备份控制系统，正常工作时，从控芯片（2）受主控芯片（1）控制，当主控芯片（1）出现故障时，从控芯片（2）将接管飞行器控制器；
舵机（6）与飞行器的变桨距系统相连，用于控制旋翼的螺距变化；
电子调速器（12）与电机连接，用于控制旋翼的转速；
电源（8）为主控芯片（1）和从控芯片（2）供电；
传感器模块（5）通过SPI接口与从控芯片（2）连接；
GPS传感器（9）通过串口将GPS定位信息发送给从控芯片（2）；
光流传感器（10）集成了超声波测距单元，通过I2C接口将光流数据发送给从控芯片（2）；
根据GPS传感器和光流传感器获得的数据实现协同定位。
2.根据权利要求1所述的飞行器控制器，其特征在于：主控芯片（1）和存储卡（4）相连，存储卡（4）用于存储本地数据。
3.根据权利要求2所述的飞行器控制器，其特征在于：存储卡（4）采用SD卡、XD卡或CF卡。
4.根据权利要求1所述的飞行器控制器，其特征在于：主控芯片（1）和无线通信接口（3）连接，无线通信接口（3）用于实时数据传输。
5.根据权利要求4所述的飞行器控制器，其特征在于：无线通信接口（3）采用WIFI接口、Zigbee接口或WAPI接口。
6.根据权利要求1所述的飞行器控制器，其特征在于：主控芯片（1）用于自动规划路线，自动巡航和实时本地数据处理，从控芯片（2）用于实现基本飞行控制指令。
7.根据权利要求1所述的飞行器控制器，其特征在于：从控芯片（2）通过PWM输出接口与舵机（6）和电子调速器（12）连接，通过向舵机（6）和电子调速器（12）输出PWM脉宽调制信号，实现对舵机（6）和电机的精确控制。
8.根据权利要求1所述的飞行器控制器，其特征在于：传感器模块（5）包括加速度计、陀螺仪、磁罗盘和气压计，将飞行器当前的加速度、倾角、航向和高度数据通过SPI接口回传给从控芯片（2）。
9.根据权利要求1所述的飞行器控制器，其特征在于：从控芯片（2）通过SBUS接口与接收机（11）连接，接收机（11）接受遥控器的控制指令并将指令传递给从控芯片（2）。
10.根据权利要求1所述的飞行器控制器，其特征在于：主控芯片（1）采用ARMA832位嵌入式芯片；从控芯片（2）采用STM32位单片机。
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