CN218213840U - 一种适用于多种无人体的集成智能控制模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于多种无人体的集成智能控制模组，由机载电脑核心、飞控核心和集成载板组成，机载电脑核心和飞控核心可拆卸式安装于集成载板上，机载电脑核心和飞控核心通过集成载板的内部串口通信连接。本实用新型较控制模组分立方案而言，解决了分立载板电路冗余的问题，优化了电源滤波、软开、DC‑DC、LDO、电源管理电路，减小了控制模组的功率损耗，同时还减小了电路布局面积；缩减、缩小了原机载电脑载板与飞控载板的接口设计，释放无人体内部设计空间；载板集成简化了机载电脑核心与飞控核心的通信，在同一块PCB上布局，方便接口阻抗匹配设计，提高了机载电脑核心与飞控核心的兼容性与可靠性。

Description

一种适用于多种无人体的集成智能控制模组

技术领域

本实用新型属于无人体控制模组设计技术领域，具体涉及一种适用于多种无人体的集成智能控制模组。

背景技术

目前无人体包含：无人机、无人车(船)、机器人等。无人体的控制系统一般由上位计算机与下位控制器组成。上位计算机即机载电脑，是无人体的大脑，主要用来完成识别目标、动静态避障、轨迹规划等需要大量算力的工作；下位控制器即飞控，飞控是飞行控制系统，是无人体的小脑，其载有加速度计、陀螺仪、气压计、罗盘等传感器，无人体在运行过程中，利用飞行控制系统，能够对电机、舵机等部件进行控制，进而控制无人体的姿态，完成无人体的各种任务。

日益复杂的环境与任务，对无人体的尺寸与算力发起了挑战，为了让无人体拥有更强大的环境适应能力与工作处理能力，无人体的尺寸需尽量小，无人体的控制系统需同时兼顾高集成与高算力的要求。目前，无人体控制系统中的机载电脑与飞控的载板一般采用分立设计，即机载电脑与飞控依靠各自的载板进行工作，它们之间通过线缆连接进行串口通信。然而无人体控制系统中机载电脑与飞控的载板分立设计的方案，存在以下缺点：

(1)机载电脑载板与飞控载板之间存在较多冗余的电路设计，如DC-DC电路、LDO电路、电源管理电路等，造成没有必要的功率损耗与空间浪费。

(2)为了适配不同无人体的尺寸、算力要求，设计控制系统需要选用技术指标符合要求的机载电脑与飞控，不同的无人体需选用不同的产品，产品之间的功能、架构存在差异，需要研发工程师掌握不同的使用技能，难度较高。

(3)大部分载电脑与飞控的载板，预留的接口较多，部分接口不会被使用，浪费了无人体内部的设计空间。

(4)不同的机载电脑与飞控载板，通信接口设计不同，存在接口阻抗匹配问题，使用时可能会出现阻抗不匹配导致两者无法正常通信。

现有方案中采用集成载板设计方案的控制系统较少，其中ModalAI公司的VOXL系列集成载板性能较为优异，最新的VOXL 2，采用的PX4飞控。而采用集成载板方案的ModalAIVOXL 2，虽解决的部分分立方案的缺点，但它的核心与载板无法分离，使用维修成本较高，若出现硬件问题，必须更换整个模组。另外VOXL 2的算力为15TOPS，对于不同无人体的适配性不足，且其仍然存在冗余电路以及不被使用的接口等。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种适用于多种无人体的集成智能控制模组，解决了分立载板电路冗余问题，具有尺寸小、高算力、适配性强的特点。

为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案为：

一种适用于多种无人体的集成智能控制模组，所述适用于多种无人体的集成智能控制模组由机载电脑核心、飞控核心和集成载板组成，所述机载电脑核心和飞控核心可拆卸式安装于所述集成载板上，所述机载电脑核心和飞控核心通过集成载板的内部串口通信连接；

所述集成载板包含供电电路、使能电路、HUB电路和接口电路，所述供电电路包含电源滤波电路、软开关电路、DC-DC电路、LDO电路以及电源管理电路，由所述电源滤波电路接入供电电压，所述软开关电路的输入端与所述电源滤波电路的输出端连接，所述软开关电路的输出端连接至DC-DC电路的输入端，所述DC-DC电路的输出端与LDO电路的输入端连接，同时所述DC-DC电路为机载电脑核心、飞控核心、集成载板上的外设以及部分接口电路供电，所述电源管理电路与所述DC-DC电路的控制端连接。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

作为优选，所述电源滤波电路包括差模电感、共模电感、X电容和Y电容。

作为优选，所述DC-DC电路包括3.3V DC-DC电路和5V DC-DC电路，所述软开关电路的输出端分别与所述3.3V DC-DC电路和5V DC-DC电路的输入端连接；

所述5V DC-DC电路的输出端为机载电脑核心、飞控核心、集成载板上的外设以及部分接口电路供电，所述3.3V DC-DC电路的输出端与LDO电路的输入端连接，所述3.3V DC-DC电路的输出端为集成载板上的外设以及部分接口电路供电，所述LDO电路的输出端为集成载板上的外设供电。

作为优选，所述使能电路分别与所述DC-DC电路和电源管理电路的使能端连接，所述使能电路为逻辑门电路。

作为优选，所述HUB电路与所述机载电脑核心连接，提供四个USB3.1接口。

作为优选，所述机载电脑核心为英伟达NX核心板。

作为优选，所述接口电路包括由英伟达NX核心板引出的一个M.2KEY M接口、一个M.2KEY E接口、四个USB3.1接口、两个MIPI CSI接口、一个RJ45接口、一个MICRO HDMI接口、一个MICRO USB接口和两个UART接口。

作为优选，所述飞控核心为采用PX4框架的CUBE核心板。

作为优选，所述接口电路包括由CUBE核心板引出的四个SERIAL接口、八个FMUMIAN接口、六个FMU AUX接口、一个RCIN接口和两个CAN接口。

作为优选，所述集成载板为完成阻抗匹配的PCB板。

本实用新型提供的适用于多种无人体的集成智能控制模组，较控制模组分立方案而言，解决了分立载板电路冗余的问题，优化了电源滤波、软开、DC-DC、LDO、电源管理电路，减小了控制模组的功率损耗，同时还减小了电路布局面积；缩减、缩小了原机载电脑载板与飞控载板的接口设计，释放无人体内部设计空间；载板集成简化了机载电脑核心与飞控核心的通信，在同一块PCB上布局，方便接口阻抗匹配设计，提高了机载电脑核心与飞控核心的兼容性与可靠性。较ModelAI集成方案，本实用新型所述智能模组保留了机载电脑核心和飞控核心的可拆卸性，在优化了其维修成本的同时，便于提供算力更高的核心，进一步提升智能模组在多无人体上的适配性。

附图说明

图1为本实用新型的适用于多种无人体的集成智能控制模组的结构示意图；

图2为本实用新型供电电路的结构示意图；

图3为本实用新型机载电脑核心和飞控核心引出的接口示意图。

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。

需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本实用新型。

在一个实施例中，为了解决现有技术中控制模组尺寸大、电路冗余、接口闲置等问题，本实施例提供一种适用于多种无人体的集成智能控制模组，解决了分立载板电路冗余问题，具有尺寸小、适配性强等的特点。

如图1所示，本实施例适用于多种无人体的集成智能控制模组由机载电脑核心、飞控核心和集成载板组成，机载电脑核心和飞控核心可拆卸式安装于集成载板上，机载电脑核心和飞控核心通过集成载板的内部串口通信连接。

本实施例中简化了机载电脑核心和飞控核心的通信，将机载电脑核心和飞控核心布置在同一集成载板上，方便接口阻抗匹配设计，提高了机载电脑核心与飞控核心的兼容性与可靠性。并且保留了机载电脑核心和飞控核心的可拆卸性，在智能控制模组发生硬件故障时，可快速的分辨机载电脑核心、飞控核心与集成载板三者中的故障源，在便于维修的同时，节约了智能控制模组整体更换的成本。

本实施例设计的智能控制模组为机载电脑核心与飞控核心的集成载板，可搭载NX核心、PX4飞控使用，组成无人体控制系统，具有小尺寸、高算力、多无人体适配的特性。

即本实施例机载电脑核心采用英伟达NX核心板，小尺寸、高算力，最大的亮点是可以并行运行多个神经网络，同时处理多个传感器的高分辨率数据，足以满足一个完整的AI系统需求，并支持所有通用的AI框架。飞控核心采用PX4框架的CUBE核心板，CUB飞控核心板由赫星供应，包括ORANGE CUBE、PURPLE CUBE等多款飞控可兼容使用，以提升智能模组多无人体适配能力。

其中，智能模组的集成载板参考英伟达NX载板与CUBE飞控载板设计，包含以下电路：

1、供电电路：如图2所示，本实施例的供电电路包含电源滤波电路(FilterCiruit)、软开关电路(Soft Start)、DC-DC电路、LDO电路以及电源管理电路(PMIC)。

由电源滤波电路接入供电电压(DC Jack，7-28V，30W)，软开关电路的输入端与电源滤波电路的输出端连接，软开关电路的输出端连接至DC-DC电路的输入端，DC-DC电路的输出端与LDO电路的输入端连接，同时DC-DC电路为机载电脑核心、飞控核心、集成载板上的外设以及部分接口电路供电，电源管理电路与DC-DC电路的控制端连接。

本实施例简化了分立载板这些电路的冗余设计，降低了分立使用时，控制模组的整体功耗，同时减小了PCB布局所需要的尺寸。供电电压DC Jack为7-28V宽电压输入，兼容2-6S锂电池，满足大多数小型无人体使用。

电源滤波电路包括差模电感、共模电感、X电容和Y电容，本实施例电源滤波电路采用差模电感、共模电感、X、Y电容混合滤波，以保证具有较优的滤波效果。需要说明的是，具体的电源滤波电路采用包含差模电感、共模电感、X电容和Y电容的常规电路结构即可，本实施例中不作限制。

软开关电路包括两个电阻、一个电容和一个MOS管，电源滤波电路的输出端通过两个串联的电阻接地，电容的一端与电源滤波电路的输出端连接，电容的另一端与两个电阻的串联端连接，MOS管的栅极与两个电阻的串联端连接，MOS管的源极与电源滤波电路的输出端连接，MOS管的漏极作为软开关电路的输出端与DC-DC电路连接。

容易理解的是，以上为本实施例提供的一种优选软开关电路结构，在其他实施例中保证功能的前提下还可以采取其他现有电路结构进行替换。

为了满足核心、接口以及外设的供电需求，在一个实施例中，DC-DC电路包括3.3VDC-DC电路和5V DC-DC电路，软开关电路的输出端分别与3.3VDC-DC电路和5V DC-DC电路的输入端连接。其中DC-DC采用国产电源芯片SY8368QNC实现，这仅为一种优选方式，不作为对本申请的限制。

5V DC-DC电路的输出端为机载电脑核心、飞控核心、集成载板上的外设(例如USB3.1HUB、电源指示灯PWR LED、风扇FAN)以及部分接口电路(例如MIRCO HDMI、4个USB TypeA)供电。

3.3V DC-DC电路的输出端与LDO电路的输入端连接，3.3V DC-DC电路的输出端为集成载板上的外设(例如无线模块M.2WIFI/BT、固态硬盘M.2NVME、电平转换单元LevelShifters)以及部分接口电路(例如两个MIPI CSI接口、ETHERNET RJ45接口)供电。

LDO电路输出1.8V电压，其输出端为集成载板上的外设(例如电平转换单元LevelShifters、BOARD CONFIG EEPROM，即EEPRM电路，开机状态预置电路)。LDO电路采用国产稳压芯片RT9013-18GB，这仅为一种优选方式，不作为对本申请的限制。

本实施例中的电平转换单元实现的是NX核心与外部接口之间的不同电平信号的转换，NX核心的信号高电平为1.8V，外部接口的信号高电平为3.3V。即3.3V DC-DC电路与LDO电路同时为电平转换单元供电。

电源管理电路PMIC负责管理3.3V与5V DC-DC电路，采用电源管理芯片实现即可，本实施例中不进行赘述。

2、使能电路：使能电路分别与DC-DC电路和电源管理电路的使能端连接。

本实施例载板集成后对使能电路的上电、开关逻辑进行了优化设计，提升了系统的兼容性。英伟达NX载板在使能电路这一部分的设计较为复杂，包含单片机与软件方面的控制，本实施例中集成载板的是能电路采用纯硬件的逻辑门电路，实现了NX核心上电时序要求。

3、HUB电路：HUB电路与机载电脑核心连接，载板内部集成USB3.1 HUB，为载板提供四个USB3.1接口，丰富了无人体传感器载荷的需求，提高了载板的多无人体适配性。

4、接口电路：分为NX接口与飞控接口，如下表1和图3所示。

表1智能控制模组接口表

表中的MICRO USB即为图3中的USB 2.0MICRO B，表中的USB 3.1即为图3中的USBSS Type A以及图2中的USB Type A，表中的两个UART即为图3中的UART以及Debug SerialPost，其中，UART通过Level Shifters由NX核心引出，图3中的Fan Connector即为图2中的FAN。图中FMU MIAN接口与FMU AUX未表示数量，以表1中为准。

并且图3中与M.2KEY E接口同框的WiFi DataIF接口、BT Audio接口、BT IF接口、WiFi/BT Ctrl接口、Misc Ctrl IF接口为M.2KEY E接口的具体信号接口，图3中与M.2KEY M接口同框的PCIe IF接口和Misc Ctrl IF接口为M.2KEY M接口的具体信号接口，具体交互功能参见M.2KEY E接口和M.2KEY M接口的常规定义即可。

需要说明的是，为了提高本实施例智能控制模组的适应性，NX核心还可以预留一定数量的GPIO接口，用于接口扩展。

NX核心板通过UART串口与CUBE核心板的SERIAL串口通信，简化了机载电脑核心与飞控核心的通信方式，提供板内通信可靠性，并且两者均集成于智能控制模组的集成载板上，在PCB布局时完成阻抗匹配，提升通信的可靠性。

本实施例的接口电路较分立方案进行了精简，省去了一些不需要的接口，同时在接口的选型上均采用了较小封装尺寸的器件，如MICRO HDMI、MIPI CSI等接口，使智能模组的整体尺寸得到了进一步缩减。因此本实施例的智能控制模组在整体设计尺寸上，较分立方案要小上不少，在算力与维修成本上，较ModelAI已有集成方案更优异，其高算力、小尺寸的特性，进一步提升了智能模组在多无人体上的适配性，可适用于各种无人机、无人车(船)、机器人等平台。

对于无人体控制模组分立设计方案，本实用新型智能控制模组，解决了分立载板电路冗余的问题，优化了电源滤波、软开、DC-DC、LDO、电源管理电路，减小了控制系统的功率损耗，同时还减小了电路布局面积；仅采用英伟达NX核心与PX4，再保持高算力、小尺寸、适配各种无人体要求的同时，简化了工程师的使用难度，降低时间成本；缩减、缩小了原机载电脑载板与飞控载板的接口设计，释放无人体内部设计空间。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种适用于多种无人体的集成智能控制模组，其特征在于，所述适用于多种无人体的集成智能控制模组由机载电脑核心、飞控核心和集成载板组成，所述机载电脑核心和飞控核心可拆卸式安装于所述集成载板上，所述机载电脑核心和飞控核心通过集成载板的内部串口通信连接；

所述集成载板包含供电电路、使能电路、HUB电路和接口电路，所述供电电路包含电源滤波电路、软开关电路、DC-DC电路、LDO电路以及电源管理电路，由所述电源滤波电路接入供电电压，所述软开关电路的输入端与所述电源滤波电路的输出端连接，所述软开关电路的输出端连接至DC-DC电路的输入端，所述DC-DC电路的输出端与LDO电路的输入端连接，同时所述DC-DC电路为机载电脑核心、飞控核心、集成载板上的外设以及部分接口电路供电，所述电源管理电路与所述DC-DC电路的控制端连接。

2.如权利要求1所述的适用于多种无人体的集成智能控制模组，其特征在于，所述电源滤波电路包括差模电感、共模电感、X电容和Y电容。

3.如权利要求1所述的适用于多种无人体的集成智能控制模组，其特征在于，所述DC-DC电路包括3.3V DC-DC电路和5V DC-DC电路，所述软开关电路的输出端分别与所述3.3VDC-DC电路和5V DC-DC电路的输入端连接；

所述5V DC-DC电路的输出端为机载电脑核心、飞控核心、集成载板上的外设以及部分接口电路供电，所述3.3V DC-DC电路的输出端与LDO电路的输入端连接，所述3.3V DC-DC电路的输出端为集成载板上的外设以及部分接口电路供电，所述LDO电路的输出端为集成载板上的外设供电。

4.如权利要求1所述的适用于多种无人体的集成智能控制模组，其特征在于，所述使能电路分别与所述DC-DC电路和电源管理电路的使能端连接，所述使能电路为逻辑门电路。

5.如权利要求1所述的适用于多种无人体的集成智能控制模组，其特征在于，所述HUB电路与所述机载电脑核心连接，提供四个USB3.1接口。

6.如权利要求1所述的适用于多种无人体的集成智能控制模组，其特征在于，所述机载电脑核心为英伟达NX核心板。

7.如权利要求6所述的适用于多种无人体的集成智能控制模组，其特征在于，所述接口电路包括由英伟达NX核心板引出的一个M.2KEY M接口、一个M.2KEY E接口、四个USB3.1接口、两个MIPI CSI接口、一个RJ45接口、一个MICRO HDMI接口、一个MICRO USB接口和两个UART接口。

8.如权利要求1所述的适用于多种无人体的集成智能控制模组，其特征在于，所述飞控核心为采用PX4框架的CUBE核心板。

9.如权利要求8所述的适用于多种无人体的集成智能控制模组，其特征在于，所述接口电路包括由CUBE核心板引出的四个SERIAL接口、八个FMU MIAN接口、六个FMU AUX接口、一个RCIN接口和两个CAN接口。

10.如权利要求1所述的适用于多种无人体的集成智能控制模组，其特征在于，所述集成载板为完成阻抗匹配的PCB板。

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