CN205003549U - 一种单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统，包括飞行控制系统，所述飞行控制系统包括控制器，所述控制器与协处理器电连接，所述协处理器还与通信及图像处理系统电连接，所述控制器与传感器系统、机载伺服控制系统电连接，所述控制器还与地面检测系统无线连接。本实用新型通过飞行控制系统、通信及图像处理系统、传感器系统、机载伺服系统共同控制无人机工作，该单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统集成度高、并且飞行稳定可靠。

Description

一种单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统

技术领域

本实用新型涉及无人机技术领域，尤其涉及一种单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统。

背景技术

过去二十年中，无人空中飞行器在空中、监视、通信救援和航拍等众多应用领域中扮演着关键的角色，具有结构简单、使用便利、运营成本低、飞行精度高和易于智能化等特点。现有技术中的无人机控制系统系统集成能力较低、飞行稳定性及可靠性不高。

实用新型内容

本实用新型主要是解决现有技术中所存在的技术问题，从而提供一种系统集成度高、并且飞行稳定可靠的单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本实用新型提供的单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统，包括飞行控制系统和通信及图像处理系统，所述飞行控制系统包括控制器、协处理器，所述控制器与协处理器电连接，所述协处理器还与通信及图像处理系统电连接，所述控制器与传感器系统、机载伺服控制系统、通信及图像处理系统电连接，所述控制器还与地面检测系统无线连接。

进一步地，所述传感器系统包括与控制器电连接的惯性测量单元、磁罗盘、GPS模块、声纳系统、气压计。

进一步地，所述机载伺服控制系统包括第一伺服器、第二伺服器、第三伺服器、第四伺服器、第五伺服器，所述第一伺服器、第二伺服器、第三伺服器均与无人机上的自动倾斜器连接，所述第四伺服器分别与无人机上的陀螺仪和尾桨连接，所述第五伺服器与无人机上的发动机连接。

进一步地，所述通信及图像处理系统包括与控制器电连接的嵌入式核心板、所述嵌入式核心板分别与数传模块、无线路由器、网络摄像头电连接。

进一步地，所述地面检测系统为一个具有无线网卡的笔记本电脑。

进一步地，所述控制器通过转化芯片与机载伺服控制系统电连接。

本实用新型的有益效果在于：控制器用于读取原始自带信息、GPS位置、速度信息，并进行数据融合滤波、得到准确姿态角估计值；并与地面站进行通信，下传飞行状态，并接收地面飞行指令，按照飞行规划信息执行控制策略，输出控制信息，协处理器负责采样解码遥控信号，在手动模式下控制无人直升机，传感器系统可以单独检测飞行状态方向位置等信息，信息整合处理以后一同传递给控制器，机载伺服控制系统是飞行控制系统的实际机械执行器件，该模块按照计算机指令驱动自动倾斜器、变距杆、尾桨浆距拉杆和油门变距杆等，实现对无人机的控制，通信及图像处理系统主要用于完成对无人机的遥控、遥测、跟踪定位及视频信息的传输和处理等。地面检测系统用于检测无人机控制系统的各种数据，是操作者掌握无人机飞行状态并修改其飞行参数的重要平台，该单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统集成度高、并且飞行稳定可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统的结构原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1所示，本实用新型的单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统，包括飞行控制系统1和通信及图像处理系统2，飞行控制系统1包括控制器11、协处理器12，控制器11与协处理器12电连接，协处理器12还与通信及图像处理系统2电连接，控制器11与传感器系统3、机载伺服控制系统4、通信及图像处理系统2电连接，控制器11还与地面检测系统5无线连接。

控制器11用于读取原始自带信息、GPS位置、速度信息，并进行数据融合滤波、得到准确姿态角估计值；并与地面站进行通信，下传飞行状态，并接收地面飞行指令，按照飞行规划信息执行控制策略，输出控制信息，协处理器12负责采样解码遥控信号，在手动模式下控制无人直升机，传感器系统3可以单独检测飞行状态方向位置等信息，信息整合处理以后一同传递给控制器，机载伺服控制系统4是飞行控制系统1的实际机械执行器件，该模块按照计算机指令驱动自动倾斜器、变距杆、尾桨浆距拉杆和油门变距杆等，实现对无人机的控制，通信及图像处理系统2主要用于完成对无人机的遥控、遥测、跟踪定位及视频信息的传输和处理等。地面检测系统5用于检测无人机控制系统的各种数据，是操作者掌握无人机飞行状态并修改其飞行参数的重要平台，该单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统集成度高、并且飞行稳定可靠。

控制器11可以使用AT91SAM7SE(512)处理器，具有稳定、体积小、运算快、功耗低的有点，协处理器可以使用ATMEL公司的AVRMega8L单片机，他主要负责从PCM1024Z接收机上采样解码遥控器的控制信号，在手动模式下控制无人机。在自主控制飞行时，主处理器根据传感器采集的导航信息来计算实际的控制量，并通过转化芯片13生成PWM值输出给机载伺服控制系统4，手动控制时，采集单片机上的控制信息，并通过4017输出PDM值给机载伺服控制系统4，优选的，该转化芯片13可以使用4017芯片。

传感器系统3主要包括与控制器11电连接的惯性测量单元31、磁罗盘32、GPS模块33、声纳系统34。

惯性测量单元31可以采用ADIS16350型传感器，可以测量三轴的姿态角和角速度，并提供事实的温度测量。该传感器是将陀螺仪和振动加速度计加以结合，以便测量全部6组可能的机械性自由度，并且内嵌传感器校准与调谐的嵌入式处理程序，在各个轴上执行精度对准和对失调和灵敏度进行校准，可以动态补偿对MEMS传感器的所有主要影响，因此能够在无需测试、电路或者在用户干预的情况下显著改善信号的稳定度。

磁罗盘32可以采用PNI公司提供的磁通传感器SEN-S65和3轴磁通传感器驱动控制芯片PNI-11096组成。通过它提供的3个垂直安装的磁通传感器所感应到周围环境磁通量变化计算出来的测量值，可以得到精确的航向角.该传感器电路结构简单，提供通用SP1接口，方便与控制器11连接。

GPS模块33现有市场有很多在此不作敷述。

声纳系统34可以使用Active-Robots公司的Serise600SmartSensorSonar，它是集发送与接收一体的传感器，内部包括超声换能、信号放大以及滤波等处理电路控制板。

机载伺服控制系统4包括第一伺服器41、第二伺服器42、第三伺服器43、第四伺服器44、第五伺服器45，第一伺服器41、第二伺服器42、第三伺服器43均与无人机上的自动倾斜器连接，第四伺服器44分别与无人机上的陀螺仪和尾桨连接，第五伺服器45与无人机上的发动机连接。第一至第三伺服器(41～43)分别控制无人机的滚转、俯仰、航向，第四伺服器44控制总距，第五伺服器45控制油门，其中滚转、俯仰、航向都是使用FutabaS9206高扭力舵机，而航向舵机为了更好的完成无人直升机的锁尾操作而采用响应速度极快的FutabaS9254数位舵机。第一至第三伺服器(41～43)通过控制自动倾斜器，从而控制直升飞机的升降、滚转和俯仰通道，实际上控制了6个自由度的其中5个。为了实现直升机不同姿态的运动，如升降、滚动反转及俯仰等，通常使用三个伺服器以协调自动倾斜器，这样便可控制桨叶的迎角变化，且这种变化是周期性进行的，这样便使得桨叶的挥舞角度也发生改变，进而可以改变TPP平面的倾角和上升力，达到不同姿态运动的目的。剩下的一个偏航通道是通过第四伺服器44来控制的，这个伺服器接收来自陀螺仪的控制信息，通过联动装置改变尾桨浆距，从而改变偏航力矩。第五伺服器45是用于控制油门，也就是发动机的主油针，改变主油针位置可以调节发动机的输出功率。而调节发动机的功率只有一个目的，就是保持主旋翼的转速不变，即油门控制的目的就是为了保持主旋翼的转速不变。

通信及图像处理系统2包括与控制器11电连接的嵌入式核心板21、嵌入式核心板21分别与数传模块22、无线路由器23、网络摄像头24电连接。数传模块22为Xtend900M，无线路由器23可以使用思科公司的WRT65GC-CN，网络摄像头24可以使用LogitechQuichCamCommunicateDeluxe，CM-T35嵌入式核心板21是以色列Compulab公司的Cortex-A8OMAP3530嵌入式微处理器为其核心的一款单板机。

地面检测系统5为一个具有无线网卡的笔记本电脑。它是机载程序和店面测量系统两者之间必须具备的功能。其一，无人直升机在空中运行会实时记录控制系统的各种数据，地面测量系统必须实时地获取这些数据以做出相应的监控处理，而数据的获取必须通过机载程序才能实现；在需要做出一些处理时，操作者可在监测系统中输入所需的控制参数，这些参数实时地在机载程序里得到反映，从而控制无人直升飞机执行操作者所期望的动作。地面测量系统是操作者掌握无人机飞行状态并修改其飞行参数的最重要的平台。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统，其特征在于：包括飞行控制系统(1)和通信及图像处理系统(2)，所述飞行控制系统(1)包括控制器(11)、协处理器(12)，所述控制器(11)与协处理器(12)电连接，所述协处理器(12)还与通信及图像处理系统(2)电连接，所述控制器(11)与传感器系统(3)、机载伺服控制系统(4)电连接，所述控制器(11)还与地面检测系统(5)无线连接。

2.如权利要求1所述的单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统，其特征在于：所述传感器系统(3)包括与控制器(11)电连接的惯性测量单元(31)、磁罗盘(32)、GPS模块(33)、声纳系统(34)、气压计(35)。

3.如权利要求1所述的单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统，其特征在于：所述机载伺服控制系统(4)包括第一伺服器(41)、第二伺服器(42)、第三伺服器(43)、第四伺服器(44)、第五伺服器(45)，所述第一伺服器(41)、第二伺服器(42)、第三伺服器(43)均与无人机上的自动倾斜器连接，所述第四伺服器(44)分别与无人机上的陀螺仪和尾桨连接，所述第五伺服器(45)与无人机上的发动机连接。

4.如权利要求1所述的单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统，其特征在于：所述通信及图像处理系统(2)包括与控制器(11)电连接的嵌入式核心板(21)、所述嵌入式核心板(21)分别与数传模块(22)、无线路由器(23)、网络摄像头(24)电连接。

5.如权利要求4所述的单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统，其特征在于：所述地面检测系统(5)为一个具有无线网卡的笔记本电脑。

6.如权利要求5所述的单旋翼无人机自主飞行控制硬件系统，其特征在于：所述控制器(11)通过转化芯片(13)与机载伺服控制系统(4)电连接。