CN214954697U - 无人机航电系统及无人机 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种无人机航电系统及无人机，包括飞行控制模块、定位导航模块、数据链传输模块、图像采集处理模块和底板；所述飞行控制模块、定位导航模块、数据链传输模块和图像采集处理模块均为板卡形式，且均通过板对板连接器与所述底板电连接。通过将飞行控制模块、定位导航模块、数据链传输模块和图像采集处理模块集成封装在一个底板上，并将各个模块的信号互联改为通过PCB走线连接，从而缩小了整体航电系统的体积和重量，有效提高了无人机的续航能力。

Description

无人机航电系统及无人机

技术领域

本实用新型涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机航电系统及无人机。

背景技术

现有技术中，无人机内部的航电系统往往是按功能划分成几种模块的，比如视频采集处理跟踪模块、飞行控制模块、数据链(数传、图传)传输模块、供电模块等等。这些模块各自独立成一个单品，分别安装到无人机内部，共同组成了无人机的航电系统。

这些无人机内部的航电系统由于每种模块都是一个独立封装的产品安装在机体内部，造成机体内部因为功能模块过多(每种模块都会封装一个壳体)以及内部线束众多而影响整机重量和体积，从而影响无人机续航时间。

现有技术中公开的一种无人机航电设备中，设置了一种总控转接电路板，将一些模块以板卡的形式与总控转接电路板层叠在一起，但其板卡间采用柔性电路板(FPC)进行连接，柔性电路板体积依旧很大，无法整体降低航电系统的体积和重量。

在实现本实用新型过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

现有技术中，无人机的航电系统普遍存在体积大、重量沉的问题，影响无人机的续航时间。因此，如何在不影响功能的情况下，减小其体积和重量，是需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种无人机航电系统及无人机，通过设置PCB底板并将多个功能模块集成在PCB底板上，从而大幅度降低航电系统的重量和体积，以解决现有技术的无人机续航时间短的问题。

为达上述目的，一方面，本实用新型实施例提供一种无人机航电系统，包括：飞行控制模块、定位导航模块、数据链传输模块、图像采集处理模块和底板；所述飞行控制模块、定位导航模块、数据链传输模块和图像采集处理模块均为板卡形式，且均通过板对板连接器与所述底板电连接。

优选的，所述飞行控制模块、定位导航模块、数据链传输模块和图像采集处理模块均与水平布置的所述底板相平行；所述飞行控制模块和所述定位导航模块均布置于所述底板上方的同一层；所述数据链传输模块和所述图像采集处理模块均布置于所述底板下方的同一层。

优选的，所述飞行控制模块与所述底板之间设置有多个竖直的中空的铜螺柱，所述飞行控制模块与所述底板通过贯穿于所述铜螺柱的螺钉相连接；所述定位导航模块与所述底板之间设置有多个竖直的中空的铜螺柱，所述定位导航模块与所述底板通过贯穿于所述铜螺柱的螺钉相连接；所述数据链传输模块与所述底板之间设置有多个竖直的中空的铜螺柱，所述数据链传输模块与所述底板通过贯穿于所述铜螺柱的螺钉相连接；所述图像采集处理模块与所述底板之间设置有多个竖直的中空的铜螺柱，所述图像采集处理模块与所述底板通过贯穿于所述铜螺柱的螺钉相连接。

优选的，所述飞行控制模块布置于所述定位导航模块的左侧；所述数据链传输模块布置于所述图像采集处理模块的左侧。

优选的，无人机航电系统还包括惯性测量单元，所述惯性测量单元通过惯性测量单元支架固定于所述飞行控制模块上。

优选的，在所述数据链传输模块和所述图像采集处理模块的下方，还设置有散热片。

优选的，所述底板为印刷电路板；所述数据链传输模块为图数一体式数据链传输模块。

优选的，在所述飞行控制模块上还设置有多个对外接口，所述对外接口的类型为CAN总线接口、或PWM接口、或SPI接口。

优选的，所述底板上还包括以下功能模块：SDI转换MIPI功能模块、AV转MIPI功能模块、HDMI转MIPI功能模块，及电源转换模块。

另一方面，本实用新型实施例提供一种无人机，所述无人机包括如前所述的无人机航电系统。

上述技术方案具有如下有益效果：

本技术方案，将飞行控制模块、定位导航模块、数据链传输模块和图像采集处理模块集成在一个PCB底板上，并封装成一体，避免了分散放置，并将各个模块的信号互联由原来的线材改为通过PCB走线连接，从而缩小了整体航电系统的体积和重量、降低了无人机的能耗。与此同时，减少了机体内部整体的占用空间后，可将更多的空间留给能源提供者(比如增加电池容量，增加油箱体积)，从而大幅度提高了无人机的续航能力。

此外，本技术方案还具有如下特点：

1、把发热量较大的数据链传输模块和图像采集处理模块布置于底板的一侧，与布置于底板另一侧发热量较小的飞控模块和定位导航模块隔离开，减少了对发热量较小的模块的干扰。进一步的，通过设置一整块散热片为发热量较大的数据链传输模块和图像采集处理模块散热，起到了较好的散热效果。通过设置一整块散热片可以利用飞机飞行中的气流散热，可以减少或者代替风扇散热，减少电池能源浪费，提高飞机续航时间。

2、航电系统采用模块集成设计后，可根据机体结构分布连接器位置，有利于布线走线，让机内部走线井然有序，便于生产调试，提高装机效率，防呆设计，装机减少错误产生

3、无需像现有技术一样为每个模块分别配置供电系统，而是可以合理利用整个航电的供电系统，为每个模块提供合适的电源，从而降低成本。

4、由原来的线材改为通过PCB走线连接后，最大化缩短了各个模块之间信号的通讯距离，从而减少了损耗，并提高了信号抗干扰能力。

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是本实用新型实施例一种无人机航电系统的部件爆炸图；

图2是本实用新型实施例一种无人机航电系统的整体外观图；

图3是本实用新型实施例一种无人机航电系统的电路原理图

图4是本实用新型实施例一种无人机航电系统的系统架构图。

附图标号：1、底板；2、飞行控制模块；3、定位导航模块；4、图像采集处理模块；5、数据链传输模块；6、惯性测量单元；7、惯性测量单元支架；8、散热片；9、铜螺柱；10、音频接口；11、预留HDMI接口；12、遥控器接口；13、VIO预留口；14、一侧机翼的GPS、电调、舵机、示廓灯接口；15、另一侧机翼的GPS、电调、舵机、示廓灯接口；16、USB预留口；17、CAN接口；18、拍照热靴口；19、预留TF卡槽；20、HDMI输出口；21、电源接口。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参照图1、图2，本实用新型实施例提供一种无人机航电系统，包括飞行控制模块2、定位导航模块3、数据链传输模块5、图像采集处理模块4和底板1；所述飞行控制模块2、定位导航模块3、数据链传输模块5和图像采集处理模块4均为板卡形式，且均通过板对板连接器与所述底板1电连接。

为了减轻重量、减小体积，可将现有航电系统中涉及到的常用模块集成在一起。本实用新型中，将四种模块分别做成板卡的形式，通过一个底板1将这四种板卡集成固定到一起，并通过底板1内部PCB走线实现连接通讯，替代线材的使用，实现四合一。底板1用于各个模块之间信号连接通讯，实现各个模块的互通互联。对于系留无人机，也可以不配置数据链传输模块5。

本无人机航电系统中的模块，按功能划分为四种：飞行控制模块2、定位导航模块3、数据链传输模块5以及图像采集处理模块4。其中，各模块的作用如下：

飞行控制模块2的内部集成有气压计、空速采集等功能，用于控制旋翼飞行、固定翼飞行、副翼舵机和升降舵机，还用于从定位导航模块3获取定位信息和时间、实现无人自动驾驶，同时将飞行数据共享给图像采集处理模块4，并接收图像采集处理模块4的信息，实现飞机对目标跟踪飞行模式、自动避障等特殊飞行效果。此外，飞行控制模块2还可以控制测绘相机拍照，实现测绘功能。定位导航模块3(本实用新型中采用RTK差分定位模块)，可用于接收伽利略、或GPS、或北斗、或GLONASS的导航信息和时间信息，通过分析处理后实现定位和定向，并提供给飞行控制模块2参与控制。图像采集处理模块4，用于采集吊舱的图传信息、编解码、叠加AI算法等。数据链传输模块5，用于与地面站远距离无线传输，转发飞行控制模块2和图像采集处理模块4的飞行控制状态信息和图像信息等，同时接收地面传来的控制信息。

各功能模块的板卡通过板对板连接器与底板1连接，采用直插的形式，最大程度地减少占用空间。连接后，各模块之间可以实现互相通讯(各模块间的通讯逻辑如图4所示)。如图3所示，本实用新型中，各模块间以串口、并口等多种方式进行连接：飞行控制模块2通过串口接点UART6_M与数据链传输模块5的串口接点UART1连接，用来传输飞行控制数据；飞行控制模块2通过串口接点UART4_M与定位导航模块3的串口接点UART1连接，用于接收厘米级别差分定位数据和定向数据，实现无人机的定位和定向；飞行控制模块2通过串口接点UART5与图像采集处理模块4的串口接点UART1连接，用于交互一些飞行数据和时间信息，实现无人机的跟踪飞行，姿态矫正等功能。本实施例中的飞行控制模块2可以采用MATEKF722-PX，PIX4，零度智控X4等；定位导航模块3可以采用天宝MB2，飞纳672，和芯星通UM482等。实施例中采用的图像采集处理模块4可以是英伟达的JETSON TX2平台，也可以采用英伟达的JETSON XAVIER NX，JETSON NANO，JETSON AGX XAVIER平台，高通801平台，瑞芯微的RK3399平台，RK3399PRO平台等。数据链传输模块5通过串口UART2与光电吊舱连接实现吊舱的控制，通过串口UART3-TX与定位导航模块3的串口UART2-RX连接实现飞机动平台起降功能；通过1.4G的频段与地面实现无线传输，完成数据交互。实施例中采用的数据链传输模块5可以为microhard P840.P900等模块。底板1可以为各个模块提供合适的电源比如12V、7.4V、5V、3.3V、1.8V、1.2V等等；按信号功能分类，并根据走线方向放置连接器的位置，使得走线更加的流畅，干净整洁。

参照图2，本实用新型实施例还提供了多个外部接口，包括：图像采集处理模块4的音频接口10；预留HDMI接口11(可用于连接具有HDMI接口的相机或吊舱)；遥控器接口12；VIO预留口13；一侧机翼的GPS、电调、舵机、示廓灯接口14；另一侧机翼的GPS、电调、舵机、示廓灯接口15；USB预留口16；CAN接口17；拍照热靴口18(挂相机用)；预留TF卡槽19；HDMI输出口20(用于测试)；底板1的电源接口21。

优选的，飞行控制模块2、定位导航模块3、数据链传输模块5和图像采集处理模块4均与水平布置的所述底板1相平行；飞行控制模块2和定位导航模块3均布置于底板1上方的同一层；数据链传输模块5和图像采集处理模块4均布置于底板1下方的同一层。当然上下方可以互换，但需保证散热片8与图像采集处理模块4和数据链传输模块5位于同侧、且散热片与这两个模块相邻。

参照图1、图2，本实用新型实施例的航电系统中，各模块均为板卡形式，若平铺放置，需占用较大的面积，因此可将各模块的板卡层叠放置，形成一个三层的层叠结构。为了获得更好的效果，利于航电系统的散热，需要对各个功能模块的布局进行考虑。由于飞行控制模块2和定位导航模块3发热量较小，所以将它们并排布置于底板1上侧；图像采集处理模块4和数据链传输模块5(无线传输模块)发热量较大，所以将这两个模块并排布置于底板1下侧。

优选的，飞行控制模块2与底板1之间设置有多个竖直的中空的铜螺柱9，飞行控制模块2与底板1通过贯穿于铜螺柱9的螺钉相连接；定位导航模块3与底板1之间设置有多个竖直的中空的铜螺柱9，定位导航模块2与底板1通过贯穿于铜螺柱9的螺钉相连接；数据链传输模块5与底板1之间设置有多个竖直的中空的铜螺柱9，数据链传输模块5与底板1通过贯穿于铜螺柱9的螺钉相连接；图像采集处理模块4与底板1之间设置有多个竖直的中空的铜螺柱9，图像采集处理模块4与底板1通过贯穿于铜螺柱9的螺钉相连接。

通过板对板连接器进行电性连接后，还需要对各模块进行物理结构的固定，以使各部件在使用中不会松动。采用铜螺柱9作为相邻两层板卡之间的定位和支撑部件，并通过穿过铜螺柱9中部的螺钉，将相邻的上下层板卡进行螺纹连接。

优选的，飞行控制模块1布置于定位导航模块2的左侧；数据链传输模块5布置于图像采集处理模块4的左侧。

由于各个功能模块均需要与底板1进行连接，为了减小体积的同时便于布置，可将底板1制成比其他模块的板卡更大。将飞行控制模块1与定位导航模块2一左一右地并列一层，使数据链传输模块5和图像采集处理模块4一左一右地并列一层，此时，这两层“组合层”的形状接近底板1，且投影面积均与底板1接近，因此可以最大程度地减少了产品体积，便于其在无人机上的布置。

优选的，无人机航电系统还包括惯性测量单元6，惯性测量单元6通过惯性测量单元支架7固定于飞行控制模块2上。

为了获取一些必要的参数，将惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，简称IMU)集成于飞行控制模块2的上部。

优选的，在数据链传输模块5和所述图像采集处理模块4的下方，还设置有散热片8。

为了更好地散热，本实用新型实施例中，不再采用传统的风扇形式，而是通过在所述无人机航电系统的最下方设置一整块散热片8来给图像采集处理模块4和数据链传输模块5散热，在无人机工作过程中，利用飞机飞行中的气流散热，从而减少电池能源浪费，也在一定程度上提高了飞机续航时间

优选的，底板1的形式为印刷电路板；数据链传输模块5为图数一体式数据链传输模块。

控制底板1用于实现各个模块的连接关系。为了减少线材的使用从而达到减轻重量、简化结构的目的，本实用新型实施例的航电系统中，板卡采用PCB(印刷电路板)走线的形式。数据链传输模块5采用图数一体的形式，可用来分别传输飞控数据和视频数据。

优选的，在所述飞行控制模块(2)上还设置有多个对外接口，对外接口的类型为CAN总线接口、或PWM接口、或SPI接口。

飞行控制模块2可通过CAN1通信接收外接的GPS和磁罗盘数据；通过CAN3获取BMS(Battery Management System,电池管理系统)电池的信息，并和吊舱同步飞行数据和时间信息等；也可通过输出的11路PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)信号分别控制电机电调和舵机等执行机构实现飞行控制(有3路PWM预留，用于控制更多的舵机或者电调，或者采集电机的转速)。

优选的，所述底板1上还包括以下功能模块：SDI转换MIPI功能模块、AV转MIPI功能模块、HDMI转MIPI功能模块，以及电源转换模块。

为了使图像采集处理模块4能够与外围部件之间以不同格式的信号进行数据传输，在底板1上集成了多个功能模块用于实现转换功能：集成了SDI转MIPI的功能模块用于将SDI接口类型信号转换为MIPI接口类型信号，AV转MIPI的功能模块用于将音视频信号转换为MIPI接口类型信号，HDMI转MIPI的功能模块用于将HDMI接口类型信号转换为MIPI接口类型信号，当然底板1上还可以设置扩展存储空间，扩展USB口，设置通讯接口电平转换模块等。其中，MIPI是(Mobile Industry Processor Interface移动产业处理器接口)；SDI接口是数字分量串行接口(serial digital interface)的首字母缩写；Audio—音频，简称A；Video—视频，简称V，AV信号即音视频信号；HDMI是(High Definition MultimediaInterface高清多媒体接口)；USB是(Universal Serial Bus通用串行总线)。

此外，底板1上还集成有电源转换模块，用于为航电系统中的各个模块供电，通过该电源转换模块可以提供12V电源、5V电源、3.3V电源、1.8V电源、1.2V电源。

无人机航电系统还包括一个用户接口板，用户接口板上设置有用户接口

可以将客户经常用到的一些信号接口集成到一个接口板上，通过多pin的极细同轴线引到方便客户查看和使用的位置结构上，方便用户使用，避免用户反复看到机体内部结构，导致误操作影响飞机使用。

本实用新型还提供一种无人机，该无人机配置有如前述的无人机航电系统，由于无人机航电系统具有重量轻、体积小等优势，使得无人机的续航能力得到了大幅度提高。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本实用新型处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本实用新型单独的优选实施方案。

为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本实用新型，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、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 (10)

1.一种无人机航电系统，其特征在于，包括：飞行控制模块(2)、定位导航模块(3)、数据链传输模块(5)、图像采集处理模块(4)和底板(1)；

所述飞行控制模块(2)、所述定位导航模块(3)、所述数据链传输模块(5)和所述图像采集处理模块(4)均为板卡形式，且均通过板对板连接器与所述底板(1)电连接。

2.如权利要求1所述的无人机航电系统，其特征在于，所述飞行控制模块(2)、所述定位导航模块(3)、所述数据链传输模块(5)和所述图像采集处理模块(4)均与水平布置的所述底板(1)相平行；

所述飞行控制模块(2)和所述定位导航模块(3)均布置于所述底板(1)一侧的同一层；所述数据链传输模块(5)和所述图像采集处理模块(4)均布置于所述底板(1)另一侧的同一层。

3.如权利要求2所述的无人机航电系统，其特征在于，

所述飞行控制模块(2)与所述底板(1)之间设置有多个竖直的中空的铜螺柱(9)，所述飞行控制模块(2)与所述底板(1)通过贯穿于所述铜螺柱(9)的螺钉相连接；

所述定位导航模块(3)与所述底板(1)之间设置有多个竖直的中空的铜螺柱(9)，所述定位导航模块(3)与所述底板(1)通过贯穿于所述铜螺柱(9)的螺钉相连接；

所述数据链传输模块(5)与所述底板(1)之间设置有多个竖直的中空的铜螺柱(9)，所述数据链传输模块(5)与所述底板(1)通过贯穿于所述铜螺柱(9)的螺钉相连接；

所述图像采集处理模块(4)与所述底板(1)之间设置有多个竖直的中空的铜螺柱(9)，所述图像采集处理模块(4)与所述底板(1)通过贯穿于所述铜螺柱(9)的螺钉相连接。

4.如权利要求2所述的无人机航电系统，其特征在于，

所述飞行控制模块(2)布置于所述定位导航模块(3)的左侧；

所述数据链传输模块(5)布置于所述图像采集处理模块(4)的左侧。

5.如权利要求4所述的无人机航电系统，其特征在于，还包括惯性测量单元(6)，所述惯性测量单元(6)通过惯性测量单元支架(7)固定于所述飞行控制模块(2)上。

6.如权利要求2所述的无人机航电系统，其特征在于，在所述数据链传输模块(5)和所述图像采集处理模块(4)的下方，还设置有散热片(8)。

7.如权利要求1所述的无人机航电系统，其特征在于，所述底板(1)为印刷电路板；所述数据链传输模块(5)为图数一体式数据链传输模块。

8.如权利要求1所述的无人机航电系统，其特征在于，在所述飞行控制模块(2)上还电连接有多个对外接口，所述对外接口的类型为CAN总线接口、或PWM接口、或SPI接口。

9.如权利要求1所述的无人机航电系统，其特征在于，所述底板(1)上还包括以下功能模块：

SDI转换MIPI功能模块、AV转MIPI功能模块、HDMI转MIPI功能模块，以及电源转换模块。

10.一种无人机，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的无人机航电系统。

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