CN205581550U - 微型四旋翼无人机控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微型四旋翼无人机控制装置，属于多旋翼无人机领域，设计一种低成本、高集成、低重量、小体积和低功耗的四旋翼无人机的飞行控制装置。微型四旋翼无人机控制装置包括飞控微处理器、传感器模块、执行机构驱动模块、遥控无线链路模块、通信无线链路模块和电源系统模块。所述的传感器模块包括轴只MEMS陀螺仪、三轴加速传感器、全向磁场传感器、静压高度计和GPS接收机。

Description

微型四旋翼无人机控制装置

技术领域

本实用新型涉及多旋翼无人机设计领域，具体涉及一种微型四旋翼无人机控制装置。

背景技术

微型无人机(Micro Unmanned Aerial Vehicle，MUAV)概念起源于20世纪90年代初，由于MUAV具有体积较小、质量较轻、无人驾驶、可重复使用、能够在空中自主飞行等特点，因而在军民两用方面具有十分广阔的应用前景。在错综复杂的环境中，MUAV可代替人类进入某些人类不适合进入的区域或先行去执行一些不适合人类完成的任务。在军用领域，微小型无人机可在近距离的位置对敌方进行侦查、目标锁定、火炮较射、电子对抗、情报获取、近距离空中支持和禁飞巡逻等任务。在民用和科技领域，除了可用于航空摄影、气象探测、勘探测绘、环境研究、核辐射探测、通信中继、水灾监视、森林火灾防救、电力线路检查等外，MUAV在大型牧场和城区监视等方面也具有极大的市场前景。

MUAV的飞行性能主要包括：起飞着陆性能、飞行性能、飞行安全可靠性能。而这些性能的优越程度正是取决于MUAV的核心部件——飞行控制系统。随着数字处理器处理速度和能力不断提高，设计先进的飞行控制系统对未来军、民用MUAV执行任务的能力影响越来越大。先进的飞行控制系统使MUAV能在没有外界操纵干预的情况下自主飞行，完成预先规定的任务。飞行控制系统性能的优劣直接决定MUAV飞行性能以及完成任务的情况。所以，研制高性能的飞行控制系统对改善MUAV的飞行性能以及提高任务完成效率都具有重要的意义。由于微小型旋翼无人机在室内飞行方面具有明显的优势，因此各国许多科研机 构都将微小型旋翼无人机选作飞行控制系统及先进控制算法的验证平台。MUAV飞行控制系统的设计和开发涉及自动化、力学、通信、电子、计算机和机械等众多科学，技术上具有相当的前瞻性和前沿性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种微型四旋翼无人机飞行控制装置，设计一种低成本、高集成、低重量、小体积和低功耗的四旋翼无人机的飞行控制装置。

实现本实用新型的微型四旋翼无人机装置包括：飞控微处理器、传感器模块、执行机构驱动模块、遥控无线链路模块、通信无线链路模块和电源系统模块。所述的传感器模块包括三轴MEMS陀螺仪、三轴加速传感器、全向磁场传感器和静压高度计以及GPS接收机。

具体地，所述的飞控微处理器选用STM32F103X。STM32系列处理器是ST公司推出的一款高性能、低成本、低功耗的嵌入式处理器。

具体地，所述的传感器模块采用ADIS16405和MS5540C静压高度计以及ANTARIS 4GPS接收机。ADIS16405是ADI公司生产的集三轴陀螺仪、三轴加速度计与全向磁场传感器于一体的MEMS惯性检测系统。其采用SPI接口同飞控微处理器进行通信。静压高度计选用MS5540C，用以补充GPS模块的高度定位不足，GPS选用u-blox AG公司ANTARIS 4 GPS接收机。其跟踪敏感性可达到-158d Bm，定位精度可达3m CEP。

具体地，所述的执行机构驱动模块选用无刷电机，并配以无刷电调使用。采用无刷电机作为执行机构，这种电机具有效率高、使用时间长等特点。本实用新型电调控制信号周期为3ms。

具体地，所述的遥控无线链路模块选取Futaba遥控器。遥控器接收机接收 的信号是脉冲调制信号(Pulse Position Modulation，PPM)，PPM信号满足PPM协议，即信号周期为18-20ms，有效脉冲宽度为1.1ms-1.6ms。本实用新型将接收机4个通道直接同飞控微处理器的I/O端口相连，利用I/O端口的接收中断功能对PPM信号进行解码。

具体地，所述的通信无线链路模块采用Maxstream 9Xtend无线数据传输器，实现了飞行器和地面控制站的数据通讯。当该无线数据传输器的传输速率为9600bps时，其传输距离可达64公里。Maxstream 9Xtend无线数据传输器通过同飞控微处理器的TTL接口相连实现数据通信。

具体地，所述的电源系统模块采用11.1V供电，经由电调输出5V电压，然后经过稳压模块转化为3.3V输出，输出最大电流为500mA。

附图说明

图1为本实用新型微型四旋翼无人机控制装置框图。

图2为实用新型飞行控制系统供电方案图。

具体实施方式

本实用新型的实施例如下：

图1所述为实用新型微型四旋翼无人机控制装置框图。具体地，所述的微型四旋翼无人机控制系统包括飞控微处理器、传感器模块、执行机构驱动模块、遥控无线链路模块、通信无线链路模块和电源系统模块。所述的传感器模块包括三只MEMS陀螺仪、三轴加速传感器、全向磁场传感器和静压高度计以及GPS接收机。

具体地，图1所述的飞控微处理器需要获取传感器信息，并应用相应算法 解算得到飞行器飞行姿态、位置、高度等信息；接收遥控信号指令，将其解码生成相应信号量，并完成在手动遥控和全自主飞行之间的模式切换；完成姿态控制及导航控制算法的解算得到相应回路的控制量；输出相应控制量至无刷电子调速器，控制旋翼转速；在不影响控制解算的前提下，完成同地面站间的数据通讯。

具体地，图1所述的传感器模块采用ADIS16405和MS5540C静压高度计以及GPS接收机，并采用SPI接口同飞控微处理器进行通信。GPS选用u-bloxAG公司ANTARIS 4 GPS接收机。飞行姿态通过惯性测量单元来获取，主要包括三只MEMS陀螺仪、三轴加速传感器和全向磁场传感器。飞行器位置信息通过定位系统GPS接收机以及最高精度达15cm的静压高度计获取。飞行控制系统集成了以上传感器组成了一套飞行姿态参考系统，可获取自主飞行所必须的姿态、速度、位置等运动信息。

具体地，图1所述的执行机构驱动模块选用无刷电机，并配以无刷电调使用。微型四旋翼无人机在悬停时要求飞行器在倾斜时能最快回到平衡位置，这要求执行机构能够对此快速地做出反应，迅速地增大或减小转速。采用无刷电机作为执行机构，可以满足效率高、使用时间长等要求。

具体地，图1所述的遥控无线链路模块选取Futaba遥控器。本实用新型将接收机4个通道直接同飞控微处理器的I/O端口相连，利用I/O端口的接收中断功能对PPM信号进行解码。通过接收遥控信号获取相应操作指令，可以实现无人机的手动和自主飞行模式的切换。

具体地，图1所述的通信无线链路模块采用Maxstream 9Xtend无线数据传输器，实现了飞行器和地面控制站的数据通讯。所述通信无线链路模块的主要功能包含实时显示、保存飞行状态(角速度、姿态角、线速度、位置信息、高 度信息、电池电压)；航迹规划路线上传、修改、下载；姿态、位置控制参数在线修改、下载；离线查看历史飞行数据。

具体地，图1所述的电源系统模块采用11.1V供电，由无刷电调输出5V，然后经过稳压转化为3.3V输出，输出最大电流为500mA。

具体地，图2所述为微型四旋翼无人机控制系统的供电方案图。本实用新型系统需要的电压为11.1V、3.3V和5V。其中11.1V为电调供电；3.3V为飞控微处理器以及静压高度计供电；5V为ADIS16405、GPS接收机、遥控接收机以及无线数据传输器供电。

Claims (2)

1.一种微型四旋翼无人机飞行控制装置，其特征在于：该装置包括飞控微处理器、传感器模块、执行机构驱动模块、遥控无线链路模块、通信无线链路模块和电源系统模块；其中飞控微处理器采用SMT32F103X单片机；其中所述的传感器模块包括三轴MEMS陀螺仪、三轴加速传感器、全向磁场传感器、静压高度计以及GPS接收机；其中所述执行机构驱动模块选用无刷电机，并配以无刷电调使用；其中所述遥控无线链路模块选取Futaba遥控器；其中所述的通信无线链路模块采用Maxstream的9Xtend无线数据传输器。

2.根据权利要求1所述的微型四旋翼无人机飞行控制装置，其特征在于，所述的三轴MEMS陀螺仪、三轴加速传感器、全向磁场传感器采用ADIS16405芯片实现，所述的静压高度计采用MS5540C，所述的GPS接收机采用ANTARIS 4 GPS接收机。