CN217787641U - 一种飞行控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种飞行控制系统，涉及无人机技术领域，该系统包括：惯性传感器、位置传感器、主控芯片和动力装置控制器；惯性传感器、位置传感器、主控芯片和动力装置控制器均位于无人机系统的飞行机体上；主控芯片分别与无人机系统的接收机、无人机系统的地面站、惯性传感器、位置传感器和动力装置控制器连接；动力装置控制器还与无人机系统的电子调速器连接；主控芯片用于向动力装置控制器发送动力装置控制信号；动力装置控制器用于接收动力装置控制信号，并向电子调速器发送多路驱动信号；电子调速器用于根据多路驱动信号控制无人机系统的动力装置。本实用新型能够精简电路连线，节省主控芯片的IO引脚，实现对更多动力装置的控制。

Description

一种飞行控制系统

技术领域

本实用新型涉及无人机技术领域，特别是涉及一种飞行控制系统。

背景技术

无人机是一种不载人的飞机，通过无线电设备下达控制指令，或者通过机载的控制器自动控制其飞行。

飞控是指无人机的飞行控制系统，相当于无人机的大脑，用于在起飞、巡航、降落等阶段辅助或全自主对飞行器的其他系统及元器件起到协同控制。在飞行器飞行过程中，飞控感知飞行器的飞行高度、速度、角度及位置信息，按照预先设定好的飞行计划或临时接收的飞行指令，控制飞行器的不同系统做出相应的动作，对于固定翼机是调整舵面等，对于多旋翼机是调整各个动力的输出功率等，从而达到改变飞行姿态的目的。

现有的飞行控制系统一般采用主控芯片直接输出PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号对无人机的各动力装置进行控制，存在大量占用主控芯片引脚的问题，且能够控制的动力装置的个数受限于主控芯片的IO引脚的个数，无法实现对较多动力装置的控制。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种飞行控制系统，以实现对更多动力装置的控制。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种飞行控制系统，所述飞行控制系统包括：惯性传感器、位置传感器、主控芯片和动力装置控制器；

所述惯性传感器、所述位置传感器、所述主控芯片和所述动力装置控制器均位于无人机系统的飞行机体上；所述主控芯片分别与无人机系统的接收机、无人机系统的地面站、所述惯性传感器、所述位置传感器和所述动力装置控制器连接；所述动力装置控制器还与无人机系统的电子调速器连接；

所述主控芯片用于向所述动力装置控制器发送动力装置控制信号；所述动力装置控制器用于接收所述动力装置控制信号，并向所述电子调速器发送多路驱动信号；所述电子调速器用于根据多路所述驱动信号控制无人机系统的动力装置。

可选地，所述飞行控制系统还包括：

接收芯片，分别与所述主控芯片和所述接收机连接。

可选地，所述接收芯片的信号输入端与所述接收机连接；所述接收芯片的信号输出端包括脉冲位置调制信号输出端和串行总线信号输出端；所述脉冲位置调制信号输出端与所述主控芯片的脉冲位置调制信号输入端连接；所述串行总线信号输出端与所述主控芯片的串行总线信号输入端连接；所述接收机为脉冲位置调制信号输出接收机或串行总线信号输出接收机。

可选地，所述飞行控制系统还包括：

静态数据存储器，位于所述飞行机体上，且与所述主控芯片连接。

可选地，所述飞行控制系统还包括：

飞行日志存储器，位于所述飞行机体上，且与所述主控芯片连接。

可选地，所述惯性传感器包括：

加速度陀螺仪，位于所述飞行机体上，且与所述主控芯片连接；

磁力计，位于所述飞行机体上，且与所述主控芯片连接。

可选地，所述位置传感器包括：

气压计，位于所述飞行机体上，且与所述主控芯片连接；

定位器，位于所述飞行机体上，且与所述主控芯片连接。

可选地，所述主控芯片的型号为STM32F407VET6。

可选地，所述动力装置控制器的型号为PCA9685。

可选地，所述动力装置控制器的数据端与所述主控芯片的串行数据线连接；所述动力装置控制器的时钟端与所述主控芯片的串行时钟线连接；所述动力装置控制器的输出使能端与所述主控芯片的使能控制端连接；所述动力装置控制器的多路脉冲宽度调制信号输出端均与所述电子调速器连接。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型提供的飞行控制系统，通过在主控芯片和电子调速器之间连接动力装置控制器，主控芯片输出的动力装置控制信号作为动力装置控制器的输入，动力装置控制器向电子调速器输出多路驱动信号，实现飞行控制。相比现有的直连(将主控芯片的多个引脚分别与电子调速器连接)方式，该系统采用动力装置控制器连接主控芯片和电子调速器，解决了直连存在的电路线路繁琐复杂的问题，该系统只需要占用主控芯片中较少的数据输出引脚，即可实现输出多路驱动信号，精简了电路连线，节省了主控芯片的IO引脚，能够实现对更多动力装置的控制。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的飞行控制系统的模块结构图；

图2为PWM输出模块的电路图；

图3为第一陀螺仪模块的电路图；

图4为第二陀螺仪模块的电路图；

图5为磁力计模块的电路图；

图6为气压计模块的电路图；

图7为GPS模块的电路图；

图8为PPM&S.BUS模块的电路图；

图9为EEPROM模块的电路图；

图10为存储器模块的电路图；

图11为5V转3.3V的电路图；

图12为OLED模块的电路图；

图13为TTL模块的电路图；

图14为第一CAN模块的电路图；

图15为第二CAN模块的电路图；

图16为数传模块的电路图；

图17为电源模块的电路图。

符号说明：主控芯片—1，PWM输出模块—2，OLED模块—3，第一陀螺仪模块—4，第二陀螺仪模块—5，磁力计模块—6，气压计模块—7，EEPROM模块—8，存储器模块—9，电源模块—10，第二CAN模块—11，第一CAN模块—12，数传模块—13，GPS模块—14，PPM&S.BUS模块—15，TTL模块—16。

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。

本实用新型的目的是提供一种飞行控制系统，以实现对更多动力装置的控制。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型提供的飞行控制系统的模块结构图。如图1所示，所述系统包括：惯性传感器、位置传感器、主控芯片1和动力装置控制器。其中，所述惯性传感器、所述位置传感器、所述主控芯片1和所述动力装置控制器均位于无人机系统的飞行机体上；所述主控芯片1分别与无人机系统的接收机、无人机系统的地面站、所述惯性传感器、所述位置传感器和所述动力装置控制器连接；所述动力装置控制器还与无人机系统的电子调速器连接。

在工作过程中，所述主控芯片1向所述动力装置控制器发送动力装置控制信号；所述动力装置控制器接收所述动力装置控制信号，并向所述电子调速器发送多路驱动信号；所述电子调速器则根据多路所述驱动信号控制无人机系统的动力装置。具体地，所述动力装置控制信号为PPM(Pulse Position Modulation，脉冲位置调制)信号，所述驱动信号为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号。

在本实施例中，所述主控芯片1的个数为一个，其型号为STM32F407VET6。STM32F407VET6作为飞控的主控芯片，无人机的各种数据处理，姿态解算，位置控制都在此芯片内进行。此芯片内核采用ARM结构32位Cortex-M4内核。采用1.8-3.6V直流电压供电，支持SWD和JTAG两种程序下载模式。市场上目前主流的飞控，如APM采用的是Mega2560、Mega32u2双8位处理器，本飞控采用STM32F407VET6单32位处理器，具有功耗低，性能强，经济成本低等优势。

所述动力装置控制器的型号为PCA9685，所述动力装置控制器与所述主控芯片1的IIC(Inter-Integrated Circuit，集成电路总线)接口连接。此芯片采用IIC协议与主控芯片1通讯，采用5V电压供电，用于输出PWM波，输出的PWM信号进入电调系统，对电调的输出量进行调节，电调连接无刷电机(即动力装置)，从而控制电机的转速。所述动力装置控制器的个数为一个或多个，当所述动力装置控制器的个数为多个时，多个所述动力装置控制器级联。在PWM信号输出方面，目前大部分飞控采用的是主控芯片直接输出，而本飞控采用的是PCA9685模块输出，精简了电路连线，节省了主控芯片的IO引脚。同时多个PCA9685模块可以级联，扩展PWM通道数量。同时，更多的PWM通道为飞控未来的功能扩展留下更大空间，意味着飞控可以控制更多的动力装置，只要在软件上进行设计，就可以把飞控系统扩展至无人车小车，无人小船，无人潜艇等等。

作为一种具体的实施方式，所述动力装置控制器及其外围电路构成PWM输出模块2，所述PWM输出模块2的电路图如图2所示。其中，所述动力装置控制器的SDA(Serial DataLine，串行数据线)管脚与所述主控芯片1的SDA端口连接，所述SDA端口由所述主控芯片1的PB7管脚引出，所述动力装置控制器的SCL(Serial Clock Line，串行时钟线)管脚与所述主控芯片1的SCL端口连接，所述SCL端口由所述主控芯片1的PB6管脚引出，所述动力装置控制器的OE(Output Enable，输出使能端)管脚与所述主控芯片1的OE端口连接，所述OE端口由所述主控芯片1的PB1管脚引出。所述动力装置控制器的多路脉冲宽度调制信号输出端PWM0-PWM9管脚分别与所述电子调速器的信号输入端连接。

此外，所述飞行控制系统为集成化的，各芯片及外围电路均直接焊接在飞控板上，接线简单，体积小巧。

所述惯性传感器包括：加速度陀螺仪和磁力计。所述加速度陀螺仪和所述磁力计均位于所述飞行机体上，且分别与所述主控芯片1连接。所述加速度陀螺仪用于测量无人机运动过程中的加速度和角加速度，并发送至所述主控芯片1。所述磁力计用于测量无人机运动过程中的方位角，并发送至所述主控芯片1。所述位置传感器包括：气压计和定位器。所述气压计和所述定位器均位于所述飞行机体上，且分别与所述主控芯片1连接。所述气压计用于通过测量气压确定无人机运动过程中的海拔高度，并发送至所述主控芯片1。所述定位器用于测量无人机运动过程中的经纬度，并发送至所述主控芯片1。

优选地，所述加速度陀螺仪的个数为两个。所述主控芯片1还用于根据两个所述加速度陀螺仪测量的加速度和角加速度计算加速度平均值和角加速度平均值。采用两个加速度陀螺仪芯片的好处在于软件设计上有更大的灵活性，将其中一个作为主芯片，另一个作为备芯片，当主芯片出现故障时，备芯片可以马上切换过来，提高飞控的可靠性。另外两个芯片同时采集数据，对数据求平均值，使获得数据更加平稳可靠。

作为一种具体的实施方式，两个所述加速度陀螺仪的型号均为MPU6000，为6轴加速度陀螺仪传感器芯片，采用SPI通讯协议，内置16位AD转换器，16位数据输出，与磁力计配合用于姿态解算，计算当前姿态角；两个所述加速度陀螺仪分别与所述主控芯片1的SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)接口连接。所述磁力计的型号为HMC5883L，采用3V-5V电压供电，采用IIC通讯协议；所述磁力计与所述主控芯片1的IIC接口连接。所述气压计的型号为MS5611，其分辨率可达10cm，工作温度范围为：-40℃～85℃，供电电压范围为：1.8V～3.6V，采用IIC通讯协议；所述气压计与所述主控芯片1的IIC接口连接。所述定位器为GPS定位器；所述定位器与所述主控芯片1的UART(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter，异步收发传输器)接口连接。

具体地，第一个加速度陀螺仪及其外围电路构成第一陀螺仪模块4，所述第一陀螺仪模块4的电路图如图3所示。其中，第一加速度陀螺仪的INT管脚与所述主控芯片1的INT1端口连接。所述INT1端口由所述主控芯片1的PA8管脚外接电阻后引出。第二个加速度陀螺仪及其外围电路构成第二陀螺仪模块5，所述第二陀螺仪模块5的电路图如图4所示。其中，第二加速度陀螺仪的INT管脚与所述主控芯片1的INT2端口连接。所述INT2端口由所述主控芯片1的PD8管脚外接电阻后引出。所述磁力计及其外围电路构成磁力计模块6，所述磁力计模块6的电路图如图5所示。其中，所述磁力计的DRDY管脚与所述主控芯片1的DRDY端口连接。所述DRDY端口由所述主控芯片1的PB5管脚引出。所述气压计及其外围电路构成气压计模块7，所述气压计模块7的电路图如图6所示。其中，所述气压计的SDO管脚与所述主控芯片1的MISO端口连接。所述GPS定位器及其外围电路构成GPS模块14，所述GPS模块14的电路图如图7所示。其中，所述GPS定位器分别与所述主控芯片1的TXD2端口和RXD2端口连接。所述TXD2端口由所述主控芯片1的PA2管脚引出，所述RXD2端口由所述主控芯片1的PA3管脚引出。

进一步地，所述飞行控制系统还包括：接收芯片，分别与所述主控芯片1和所述接收机连接。具体地，所述接收芯片的信号输入端与所述接收机连接；所述接收芯片的信号输出端包括脉冲位置调制信号输出端和串行总线信号输出端；所述脉冲位置调制信号输出端与所述主控芯片1的脉冲位置调制信号输入端连接；所述串行总线信号输出端与所述主控芯片1的串行总线信号输入端连接；所述接收机为脉冲位置调制信号输出接收机或串行总线信号输出接收机。

在本实施例中，所述接收芯片的型号为74LVC2G240，供电电压为1.65V～5.5V；所述接收芯片与所述主控芯片1的UART接口连接。具体地，此芯片接收遥控器无线电信号，并产生PPM信号。PPM信号是将多个控制通道(一般10个控制通道)集中放在一起调制的信号。也就是一个PPM脉冲序列里面包含了多个通道的信息，这些信号作用于电调系统，控制无刷电机。这样就实现了一个遥控器可以同时对多个电机进行控制，同时，此芯片还兼容SBUS协议。

所述接收芯片及其外围电路构成PPM&S.BUS模块15，所述PPM&S.BUS模块15的电路图如图8所示。其中，所述接收芯片的1OE管脚与所述主控芯片1的串行总线信号输入使能端SBUS_INPUT_EN(由PE8管脚引出)连接，所述接收芯片的1Y管脚与所述主控芯片1的串行总线信号输入端SBUS_INPUT(由PC11管脚引出)连接，所述接收芯片的1A管脚分别与所述主控芯片1的脉冲位置调制信号输入端PPM_INPUT(由PA0管脚引出)和所述接收机的信号输出端PPM-SBUS-PROT连接。通过设置PPM&S.BUS模块15，使本实用新型提供的飞行控制系统能够接收PPM或S.BUS两类信号，因此既能够连接PPM接收机，又能够连接S.BUS接收机。

进一步地，所述飞行控制系统还包括：静态数据存储器和飞行日志存储器。所述静态数据存储器和所述飞行日志存储器均位于所述飞行机体上，且分别与所述主控芯片1连接。

在本实施例中，所述静态数据存储器的型号为AT24C256，为高速读写存储芯片，采用IIC通讯协议，3.3V供电；所述静态数据存储器与所述主控芯片1的IIC接口连接。所述飞行日志存储器的型号为AT45DB641，为大容量存储芯片，采用SPI通讯协议，存储容量为16MB，组织为4096页，每页有512字节；所述飞行日志存储器与所述主控芯片1的SPI接口连接。其中，所述静态数据存储器用于存储无人机系统的静态数据；所述静态数据包括所述惯性传感器的校正值、所述位置传感器的校正值、控制偏差校正值和航点数据。所述主控芯片1则用于根据接收机接收的遥控器控制信号、地面站发送的控制信号、位置传感器与惯性传感器采集的数据和所述静态数据解算无人机的飞行姿态和飞行位置，并生成动力装置控制信号。所述飞行日志存储器则用于存储无人机运动过程中的飞行日志，从而在飞行结束后分析无人机在空中遇到的各种问题；所述飞行日志由所述主控芯片1根据所述惯性数据、所述位置数据和所述动力装置控制信号生成。当所述无人机系统中包括录音录像设备时，所述飞行日志存储器还可以用于存储语音、图片、视频等数据。

具体地，所述静态数据存储器及其外围电路构成EEPROM模块8，所述EEPROM模块8的电路图如图9所示。其中，所述静态数据存储器的SCL管脚与所述主控芯片1的SCL端口连接，所述静态数据存储器的SDA管脚与所述主控芯片1的SDA端口连接。所述飞行日志存储器及其外围电路构成存储器模块9，所述存储器模块9的电路图如图10所示。其中，所述飞行日志存储器的SO管脚与所述主控芯片1的MISO端口连接，所述飞行日志存储器的SI管脚与所述主控芯片1的MOSI端口连接。所述MISO端口由所述主控芯片1的PA6管脚外接电阻后引出，所述MOSI端口由所述主控芯片1的PA7管脚外接电阻后引出。所述静态数据存储器及所述动态数据存储器均采用3.3V供电，5V转3.3V的电路图参见图11。

进一步地，所述飞行控制系统还包括：显示屏。所述显示屏位于所述飞行机体上，且与所述主控芯片1连接。所述显示屏优选为0.96寸OLED显示屏，具有可视角大，耗电量低，对比度高等特点。采用IIC协议与主控芯片1进行通讯。在电路输出方面，目前大部分飞控采用的是LED灯闪烁或常亮显示飞控系统的不同状态信息。本飞控采用OLED显示屏，直接显示飞控的不同状态信息，更加直观。具体地，所述OLED显示屏及其外围电路构成OLED模块3，所述OLED模块3的电路图如图12所示。

进一步地，所述飞行控制系统还包括：下载器。所述下载器分别与无人机系统的上位机和所述主控芯片1连接，用于将所述上位机中的控制程序下载到所述主控芯片1中。在本实施例中，所述下载器的型号为J-link，J-Link一端具有USB通信功能，与上位机相连接，另一端通过SWD/JTAG模式与飞控板相连接。具体地，所述下载器与所述主控芯片1的UART接口连接。在程序下载调试方面，目前大多数飞控通过USB接口下载调试程序，本飞控采用J-Link的SWD模式，软件程序通过J-Link下载到主控芯片1，这种模式占用引脚少，只需要四个引脚，且程序还能单步运行，调试程序更加方便可靠。

在本实施例中，所述下载器及其外围电路构成TTL模块16，所述TTL模块16的电路图如图13所示。其中，所述下载器分别与所述主控芯片1的TXD1端口和RXD1端口连接。所述TXD1端口由所述主控芯片1的PA9管脚引出，所述RXD1端口由所述主控芯片1的PA10管脚引出。

进一步地，所述飞行控制系统还包括第一CAN模块12和第二CAN模块11，所述第一CAN模块12的电路图如图14所示，所述第二CAN模块的电路图如图15所示。两个CAN模块可以与其他飞控板或设备相连接，若将CAN模块与其他飞控板连接，可以实现两个板子的相互通信，若将CAN模块与其它传感器连接，可以读取该传感器的数据，实现新的功能。

所述飞行控制系统还包括数传模块13，所述数传模块13的电路图如图16所示。所述数传模块13包括数传设备及其外围电路，其中，数传设备分别与所述主控芯片1的TXD3端口、RXD3端口和SET端口连接。所述TXD3端口由所述主控芯片1的PB10管脚引出，所述RXD3端口由所述主控芯片1的PB11管脚引出，所述SET端口由所述主控芯片1的PB4管脚引出。所述数传模块13用于实现飞控板和地面站的通讯，把飞控的各种传感器数据传回地面站的上位机。

所述飞行控制系统还包括电源模块10，所述电源模块10的电路图如图17所示。其中，电源分别与所述主控芯片1的CURRENT端口和VOLTAGE端口连接。所述CURRENT端口由所述主控芯片1的PC0管脚引出，所述VOLTAGE端口由所述主控芯片1的PC1管脚引出。

与现有技术相比，本实用新型提供的飞行控制系统电路更加简化，性能更强，功耗更低。数据的采集速度，数据的精度，可靠性等都有提高。人机交互方面更加友好直观，程序调试下载方面更加方便。可扩展性更强。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种飞行控制系统，其特征在于，所述飞行控制系统包括：惯性传感器、位置传感器、主控芯片和动力装置控制器；

所述惯性传感器、所述位置传感器、所述主控芯片和所述动力装置控制器均位于无人机系统的飞行机体上；所述主控芯片分别与无人机系统的接收机、无人机系统的地面站、所述惯性传感器、所述位置传感器和所述动力装置控制器连接；所述动力装置控制器还与无人机系统的电子调速器连接；

所述主控芯片用于向所述动力装置控制器发送动力装置控制信号；所述动力装置控制器用于接收所述动力装置控制信号，并向所述电子调速器发送多路驱动信号；所述电子调速器用于根据多路所述驱动信号控制无人机系统的动力装置。

2.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其特征在于，所述飞行控制系统还包括：

接收芯片，分别与所述主控芯片和所述接收机连接。

3.根据权利要求2所述的飞行控制系统，其特征在于，所述接收芯片的信号输入端与所述接收机连接；所述接收芯片的信号输出端包括脉冲位置调制信号输出端和串行总线信号输出端；所述脉冲位置调制信号输出端与所述主控芯片的脉冲位置调制信号输入端连接；所述串行总线信号输出端与所述主控芯片的串行总线信号输入端连接；所述接收机为脉冲位置调制信号输出接收机或串行总线信号输出接收机。

4.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其特征在于，所述飞行控制系统还包括：

静态数据存储器，位于所述飞行机体上，且与所述主控芯片连接。

5.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其特征在于，所述飞行控制系统还包括：

飞行日志存储器，位于所述飞行机体上，且与所述主控芯片连接。

6.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其特征在于，所述惯性传感器包括：

加速度陀螺仪，位于所述飞行机体上，且与所述主控芯片连接；

磁力计，位于所述飞行机体上，且与所述主控芯片连接。

7.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其特征在于，所述位置传感器包括：

气压计，位于所述飞行机体上，且与所述主控芯片连接；

定位器，位于所述飞行机体上，且与所述主控芯片连接。

8.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其特征在于，所述主控芯片的型号为STM32F407VET6。

9.根据权利要求8所述的飞行控制系统，其特征在于，所述动力装置控制器的型号为PCA9685。

10.根据权利要求9所述的飞行控制系统，其特征在于，所述动力装置控制器的数据端与所述主控芯片的串行数据线连接；所述动力装置控制器的时钟端与所述主控芯片的串行时钟线连接；所述动力装置控制器的输出使能端与所述主控芯片的使能控制端连接；所述动力装置控制器的多路脉冲宽度调制信号输出端均与所述电子调速器连接。

Images