CN206348668U - 一种小型无人机飞行控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及飞行器控制技术领域，具体涉及一种小型无人机飞行控制系统，包括电源模块、接口模块、主控模块、传感器模块。接口模块、主控模块、传感器模块分别与电源模块连接，接口模块、传感器模块还分别与主控模块连接。主控模块包括主控处理器，主控处理器架构采用“FPGA+ARM”处理架构。接口模块包括连接口，连接口包括4路RS232接口、4路A/D接口、6路DIO接口、6路PWM接口。本实用新型的系统耦合度低，具有充足的扩展接口，便于系统在硬件上进行升级。

Description

一种小型无人机飞行控制系统

技术领域

本实用新型涉及飞行器控制技术领域，具体涉及一种小型无人机飞行控制系统。

背景技术

无人机是无人驾驶飞行器(Unmanned Aerial Vehicle，缩写UAV)的简称，是一种有动力、可控制、能携带多任务设备、执行多任务，并能够重复使用的无人驾驶航空飞行器。与载人飞机相比较，它具有体积小、造价高、使用方便、快速反应、机动灵活、对任务环境要求低、生存能力强等优点，鉴于其独有的优势，无人机的使用范围已拓宽到军事、科研和民用三大领域。在军事上，可用于侦察、监视、通信中继、电子干扰、战果评估、目标模拟等；在科学研究上，可用于大气研究、核生化污染区的取样与监控、靶机试验；在民用领域，可用于城市环境检测、地球资源勘探、森林防火等。随着应用的需要和航空技术的发展，近年来世界范围内加大了无人机研究的投入。

目前，我国已经具备自行设计和批量生产无人机的能力，逐步走向国际市场，其技术水平在国际上有较强竞争力。但是，现有无人机控制系统技术中，系统耦合度过大，且没有预留出充足的扩展接口，因此不便于系统在硬件上进行升级。未来的小型无人机肩负着精确打击和跟踪任务，这对小型无人机飞行控制器也提出了更高的要求，因此设计一款小型化、高集成度、高性价比的无人机飞行控制器在军事、民用领域具有非常重要的意义。此外，目前无人机飞行控制系统主要实现各类传感器数据采集和飞行控制功能，缺少用于飞行关键数据回放的数据存储功能。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种小型无人机飞行控制系统，以解决现有技术中无人机飞行控制系统耦合度过大，没有预留出充足的扩展接口，不便于系统在硬件上进行升级的问题。

本实用新型还有一个目的是提供一种小型无人机飞行控制系统，以解决现有技术中无人机飞行控制系统不具有飞行数据存储功能。

本实用新型实施例提供一种小型无人机飞行控制系统，包括电源模块、接口模块、主控模块、传感器模块，所述接口模块、所述主控模块、所述传感器模块分别与所述电源模块连接，所述接口模块、所述传感器模块还分别与所述主控模块连接；所述主控模块包括主控处理器，所述主控处理器架构采用“FPGA+ARM”处理架构；所述接口模块包括连接口，所述连接口包括4路RS232接口、4路A/D接口、6路DIO接口、6路PWM接口。

作为本实用新型的优选方式，所述主控处理器的芯片选用Zynq-7000系列的XC7Z020芯片。

作为本实用新型的优选方式，所述主控模块还包括JTAG调试接口、Nand Flash存储器、DDR3、时钟电路、复位电路，所述JTAG调试接口、所述Nand Flash存储器、所述DDR3、所述时钟电路、所述复位电路分别与所述主控处理器连接。

根据权利要求1所述的小型无人机飞行控制系统，其特征在于，所述传感器模块包括GPS接收机、捷联惯性导航仪、高度速度传感器。

作为本实用新型的优选方式，所述传感器模块还包括第一ADC模块、第一电平转换器和第二电平转换器，所述GPS接收机与所述第一电平转换电路连接，所述第一电平转换电路通过一路RS232信号与所述主控处理器连接；所述捷联惯性导航仪与所述第二电平转换电路连接，所述第二电平转换电路通过一路RS232信号与所述主控处理器连接；所述高度速度传感器与所述第一ADC模块连接，所述第一ADC模块通过4路A/D信号与所述主控处理器连接。

作为本实用新型的优选方式，所述接口模块还包括第二ADC模块、第三电平转换电路和PWM驱动模块，所述4路A/D接口与所述第二ADC模块连接，所述第二ADC模块通过4路A/D信号与所述主控处理器连接；所述6路DIO接口与所述第三电平转换电路连接，所述第三电平转换电路通过6路DIO信号与所述主控处理器连接；所述6路PWM接口与所述PWM驱动模块连接，所述PWM驱动模块通过6路PWM信号与所述主控处理器连接；所述4路RS232接口通过4路RS23信号与所述主控处理器连接。

本实用新型提供的小型无人机飞行控制系统，处理器是“FPGA+ARM”处理架构，“FPGA+ARM”处理架构的处理器平台，可以把可编程逻辑看成是处理器外设中一个具有可重配置特点的“外设”，比如当串行接口或以太网接口不够时，可以用可编程逻辑来扩展；其次也可将其看成一个与处理器对等的主设备，其可主动完成与外部芯片的数据交互。通过这样的结合，既发挥了处理器在处理复杂控制算法、运行操作系统等方面的优势，又利用FPGA在并行算法加速、可动态重配置的特点，实现了系统加速，增强了灵活性；同时基于片内结合的方案，减少了板子面积，降低了功耗，也加快了硬件开发的速度。此外，系统采用主控模块、传感器模块、接口模块、电源模块四部分设计，系统耦合度小，具有丰富的输入输出信号的接口资源，方便升级硬件。此外，本无人机飞行控制系统具有数据存储设备，该存储设备为Nand Flash存储器，其具有较大的存储容量，一般为4Gb，以备对飞行的关键数据进行回放。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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为本实用新型实施例的控制系统硬件结构示意图。

图2为本实用新型实施例的主控模块结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

本实用新型实施例公开了一种小型无人机飞行控制系统包括电源模块、接口模块、主控模块、传感器模块。参照图1所示，接口模块、主控模块以及传感器模块分别与电源模块连接，接口模块、传感器模块还分别与主控模块连接。

无人机机载电源输入一般为9V～12V直流，电压电源模块用于将机载电源转换为系统各部分所需的+5V、+3.3V、+1.8V、+1.5V、+1.0V、+0.75V直流电，并给各部分供电。

主控模块是本实用新型的核心模块，具有两个主要功能：一是飞行控制，即保持无人机飞行姿态与航迹稳定，以及根据地面遥控指令的要求改变飞行姿态与航迹；二是飞行管理，即完成导航计算、遥测数据传送、故障诊断处理、应急情况处理、任务设备的控制与管理等。主控模块在每个控制周期内实时处理传感器数据，得到无人机的位置和姿态信息，根据预设置的航迹信息，解算出控制量，驱动舵机工作，保持无人机稳定自主飞行。

主控模块的设计需要保证处理器最小系统正常工作，包括设计时钟电路、复位电路、调试接口电路、存储器电路。通过这些设计，组成了一个比较完整的，能够满足飞行控制基本要求的飞行控制硬件最小系统。时钟电路为主控模块提供时钟信号,复位电路保证主控模块能够正常复位,调试接口使得用户能够通过JTAG模式对其进行调试,存储器电路为飞行控制软件和飞行原始数据提供足够的存储空间。

参照图2所示，主控模块结构包括主控处理器、JTAG调试接口、Nand Flash存储器、DDR3、时钟电路、复位电路。其中，JTAG调试接口、Nand Flash存储器、DDR3、时钟电路、复位电路分别与主控处理器连接。

优选地，主控处理器的架构采用“FPGA+ARM”处理架构，主控处理器的芯片选用Zynq-7000系列的XC7Z020芯片，该芯片支持浮点运算，拥有较为丰富的接口资源，控制功能强大。可以完成小型无人机飞行控制系统的飞行控制和任务管理功能。

时钟电路为主控模块提供时钟信号。现有技术中，嵌入式处理器都是时序电路，需要一个稳定的时钟信号提供时序基准。大多数处理器内部都具有晶体振荡器，只需提供外部时钟源即可正常工作，所以需要设计相应的时钟电路。在本实施例中，选用40MHz的时钟电路为XC7Z020芯片提供时钟信号，并且可以通过XC7Z020内部相位锁定环路(PLL)来获得设计中所需的工作频率。XC7Z020系统时钟模块包括：主时钟源(40MHz)、相位锁定环路(PLL)、时钟分频器、晶体振荡器等。

复位电路保证主控模块能够正常复位。复位电路是确保电路正常工作必不可少的一部分，复位电路的主要功能是上电复位。由于处理器电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在处理器上电时，应该有一个复位逻辑将处理器初始化到一个确定的状态。最简单的复位电路是阻容复位电路，电路简单，成本低廉。XC7Z020芯片有多种复位源，可产生内部和外部复位信号的触发事件。其中，外部复位源有：上电复位、外部硬件复位和外部软件复位；内部复位源有：PLL锁相失效、处理器时钟切换、软件看门狗复位、JTAG调试复位等。本实施例中系统上电复位主要采用阻容复位电路，在系统上电时，该复位电路主要向XC7Z020芯片的PS部分提供硬件上电复位，向PL部分提供上电复位。

JTAG调试接口使得用户能够通过JTAG模式对其进行调试。系统运行时调试接口并非必须，但是在开发调试阶段必不可少。飞行控制软件功能复杂，在调试时需要查看程序运行、逻辑时序、相关变量以及寄存器值等，所以调试接口也显得很重要。本实用新型采用Xilinx Platform Cable USB II调试器来调试程序，同时需要设计相应的调试接口电路，该系统调试接口电路是JTAG调试接口电路。

Nand Flash存储器、DDR3，为飞行控制软件和飞行原始数据提供足够的存储空间。目前，飞行控制软件和导航软件越来越庞大，加之无人机在飞行任务中，需要飞行控制器提供工作过程中的重要参数(如控制律系数、航路信息、调零信息)，所以飞控计算机需要足够的数据和程序存储空间来存储无人机飞行任务的各类信息。但是在现有技术中，无人机飞行控制系统主要实现各类传感器数据采集和飞行控制功能，并没有用于飞行关键数据的存储功能，不能对飞行参数进行回放。为解决上述缺陷，本实用新型设有用于存储飞行数据的Nand Flash存储器。该存储器可以存储采集的相关参数(传感器相关数据、惯导相关数据和GPS接收机原始差分数据)、飞行控制软件、设备管理软件(基于Xilinx SDK)、航迹信息以及为系统二次开发保留的存储余量。在本实施例中所备选的Nand Flash存储器型号为MT29F4G08ABADAWP，其容量为4Gb。Nand Flash与Nor Flash相比较，其具有存储容量大、地址线较少等特点。

小型无人机飞行控制系统功能复杂，因此需要多种类型的接口来完成其控制功能。接口模块是连接主控模块与外部器件的中间环节，具有进行电平变换、对CPU接口提供缓冲保护和增强输出驱动能力的作用。

参照图1所示，接口模块包括连接口，连接口包括4路RS232接口、4路A/D接口、6路DIO接口、6路PWM接口。此外，接口模块还包括第二ADC模块、第三电平转换电路和PWM驱动模块，4路A/D接口与第二ADC模块连接，第二ADC模块通过4路A/D信号与主控处理器连接；6路DIO接口与第三电平转换电路连接，第三电平转换电路通过6路DIO信号与主控处理器连接；6路PWM接口与PWM驱动模块连接，PWM驱动模块通过6路PWM信号与主控处理器连接；4路RS232接口通过4路RS232信号与主控处理器连接。

A/D接口，用于对模拟信号的采集，ADC模块用于将模拟信号解调为数字信号并与主控处理器通信。

PWM接口，主要输出驱动舵机，PWM模块主要功能是依据控制律解算任务，按照解算出的参数驱动舵机工作。在主控芯片中有相关能产生PWM信号的模块，一般都是定时器，通过应用程序设置该定时器产生高电平的周期来控制有效脉冲宽度，从而达到控制PWM信号的作用。

DIO接口则是控制外部离散量设备以及捕获外部离散量信号，离散量接口完成输入和输出离散量的采集。主要用于离车信号、停车、开伞等开关量信号的处理。在性能上要求输入输出端口的耐压值要高、输入和输出工作方式可以灵活设置。由于离散量的驱动电平均为5V(TTL)，而主控处理器的IO管脚电平通常为3.3V(CMOS)，所以在接口模块和主控模块之间需要设计电平转换电路。

RS232接口主要外接串行传感器以及用于串口备份。

在本实施例中，传感器模块负责采集小型无人机飞行控制器所需的各种数据，这些数据的用途有二：第一，为飞行控制器的控制律解算及导航提供所需参数；第二，原始数据存储，供后期分析飞行数据。传感器模块包括GPS接收机、捷联惯性导航仪、高度速度传感器。

为使各个传感器顺利与主控处理器通信，传感器模块还包括第一ADC模块、第一电平转换器和第二电平转换器，GPS接收机与第一电平转换电路连接，第一电平转换电路通过一路RS232信号与主控处理器连接；捷联惯性导航仪与第二电平转换电路连接，第二电平转换电路通过一路RS232信号与主控处理器连接；高度速度传感器与第一ADC模块连接，第一ADC模块通过4路A/D信号与主控处理器连接。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种小型无人机飞行控制系统，其特征在于，包括电源模块、接口模块、主控模块、传感器模块，所述接口模块、所述主控模块、所述传感器模块分别与所述电源模块连接，所述接口模块、所述传感器模块还分别与所述主控模块连接；所述主控模块包括主控处理器，所述主控处理器架构采用“FPGA+ARM”处理架构；所述接口模块包括连接口，所述连接口包括4路RS232接口、4路A/D接口、6路DIO接口、6路PWM接口。

2.根据权利要求1所述的小型无人机飞行控制系统，其特征在于，所述主控处理器的芯片选用Zynq-7000系列的XC7Z020芯片。

3.根据权利要求1所述的小型无人机飞行控制系统，其特征在于，所述主控模块还包括JTAG调试接口、Nand Flash存储器、DDR3、时钟电路、复位电路，所述JTAG调试接口、所述Nand Flash存储器、所述DDR3、所述时钟电路、所述复位电路分别与所述主控处理器连接。

4.根据权利要求1所述的小型无人机飞行控制系统，其特征在于，所述传感器模块包括GPS接收机、捷联惯性导航仪、高度速度传感器。

5.根据权利要求4所述的小型无人机飞行控制系统，其特征在于，所述传感器模块还包括第一ADC模块、第一电平转换器和第二电平转换器，所述GPS接收机与所述第一电平转换电路连接，所述第一电平转换电路通过一路RS232信号与所述主控处理器连接；所述捷联惯性导航仪与所述第二电平转换电路连接，所述第二电平转换电路通过一路RS232信号与所述主控处理器连接；所述高度速度传感器与所述第一ADC模块连接，所述第一ADC模块通过4路A/D信号与所述主控处理器连接。

6.根据权利要求1所述的小型无人机飞行控制系统，其特征在于，所述接口模块还包括第二ADC模块、第三电平转换电路和PWM驱动模块，所述4路A/D接口与所述第二ADC模块连接，所述第二ADC模块通过4路A/D信号与所述主控处理器连接；所述6路DIO接口与所述第三电平转换电路连接，所述第三电平转换电路通过6路DIO信号与所述主控处理器连接；所述6路PWM接口与所述PWM驱动模块连接，所述PWM驱动模块通过6路PWM信号与所述主控处理器连接；所述4路RS232接口通过4路RS23信号与所述主控处理器连接。