CN218847236U - 一种无人机异构双余度传感器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种无人机异构双余度传感器装置。该装置设在无人机上，包括异构双余度传感器电路以及与其连接的主传感器设备、备传感器设备；主传感器设备为双天线差分GPS模块；备传感器设备包括磁罗盘模块、备用GPS模块、气压高度计模块。为避免同构传感器电路在使用过程在容易出现相同故障的情况，主/备传感器使用异构/热备份的电路结构。本实用新型通过将主传感器设备与备传感器设备采用不同传感器、设计成不同的电路结构，并设计异构双余度传感器电路配合各传感器的接口电路，进而提高无人机运行硬件可靠性。

Description

一种无人机异构双余度传感器装置

技术领域

本实用新型涉及飞行控制领域，具体而言，涉及一种无人机异构双余度传感器装置。

背景技术

现有的无人机出于成本和技术水平考虑，控制系统和传感器系统大多采用单余度配置。在无人机系统中，传感器数量和种类众多，极易出现由于单个传感器故障或者失效，使得飞行任务不能完成，严重的甚至会导致整架无人机的坠毁。多余度是提高系统任务可靠性与安全可靠性的一种手段，但现在使用多余度传感器的无人机系统大多采用同构的余度电路，即作为余度电路的主、备传感器电路采用完全相同的硬件电路结构，这种方式带来的问题就是在某一电路出现问题的时候，其同构电路极有可能也出现相同的问题，造成硬件电路的余度/热备份作用失效，最终导致各个传感器数据无法被采集。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种无人机异构双余度传感器装置，通过异构双余度传感器的电路结构，解决了同构传感器出现相同电路故障的问题。具体方案如下：

一种无人机异构双余度传感器装置，所示该装置设在无人机上，包括：异构双余度传感器电路以及与其连接的主传感器设备、备传感器设备；

所述主传感器设备为双天线差分GPS模块；

所述备传感器设备包括磁罗盘模块、备用GPS模块、气压高度计模块；

所述异构双余度传感器电路包括：CPU芯片和与其连接的RS232电路、SPI电路、电源电路、CAN通讯电路；所述RS232电路分别连接双天线差分GPS模块、磁罗盘模块、备用GPS模块；所述SPI电路连接气压高度计模块；所述电源电路连接无人机上的12V电源，降压为3.3V输出给该异构双余度传感器电路；所述CAN通讯电路连接无人机上的控制系统。

所述电源电路包括：外部的12V直流电经过整流二极管D2连接至降压芯片U3输入端口IN，输入端口IN还经过电容C20接地，On/Off端口接地，ReedBack端口输出+5V，OUT端口经过电容C18与稳压二极管DW1并联后接地；+5V连接降压芯片U10的输入端IN，TAB端口连接3.3V电源，芯片U10的输入端IN还经过电容C24与电容C25并联后接地，OUT端口输出3.3V电源，OUT端口还经过电容C26与电容C27并联后接地。

所述RS232电路包括2组连接关系相同的232芯片及其外围电路，其连接双天线差分GPS模块、磁罗盘模块、备用GPS模块共三路RS232信号。

所述每组232芯片及其外围电路包括：芯片U4的C1+端口经过电容C17连接C1-端口，C2+端口经过电容C22连接C2-端口，VCC连接3.3V电源，GND端口接地，V+端口经过电容C15连接3.3V，3.3V经过电容C16接地，V-端口经过电容C23接地；T1IN端口、R1OUT端口作为第一路RS232信号连接CPU芯片的UART1端口(PA9-PA10)，T1OUT端口、R1IN端口作为第一路RS232信号连接双天线差分GPS模块；T2IN端口、R2OUT端口作为第二路RS232进出信号连接CPU芯片的UART2端口(PA2-PA3)，T2OUT端口、R2IN端口作为第二路RS232信号连接磁罗盘模块；

芯片U5的T1IN端口、R1OUT端口作为第三路RS232信号连接CPU芯片的UART3端口(PD8-PD9)，T1OUT端口、R1IN端口作为第三路RS232信号连接备用GPS模块。

所述SPI电路包括：气压计芯片U1的VDD端口经过电容C15接地，PS端口、GND端口接地，SCLK、SDI、SDO端口输出SPI信号连接至CPU芯片的SPI端口(PA5-PA7)，CSB端口连CPU芯片的PD7端口。

所述CAN通讯电路包括：3.3V经过电容C21连接至GND端口，VCC端口连接3.3V，TXD、RXD端口为CAN信号连接至CPU芯片的CAN端口(PA12-PA11)，RS端口经过电阻R9接地GND端口，CANH、CANL端口之间连接电阻R15，CANH、CANL连接CAN总线接口。

所述该异构双余度传感器电路还包括存储电路：SD卡槽M1的D0-D3、CLK、CMD端口分别连接CPU芯片的SCIO存储端口(PA8-PA12)，还分别经过上拉电阻R10-R14连接3.3V电源，VCC端口连接3.3V电源。

本实用新型的优点及有益效果：

1.为避免同构传感器电路在使用过程在容易出现相同故障的情况，主/备传感器使用异构/热备份的电路结构。

2.本实用新型通过将主传感器设备与备传感器设备采用不同传感器、设计成不同的电路结构，并设计异构双余度传感器电路配合各传感器的接口电路，进而提高无人机运行硬件可靠性。

3.本实用新型克服了目前现有技术中使用多余度传感器的无人机系统的同构余度电路，即传感器各个余度电路采用完全相同的硬件电路结构。因此，避免在某一电路出现问题的时，其同构电路极有可能也出现相同的问题，造成硬件电路的余度/热备份作用失效，最终导致各个传感器数据无法被采集的后果。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构图；

图2是RS232接口电路；

图3是气压高度计电路；

图4是CAN通讯电路；

图5是电源电路；

图6是RS422电路图；

图7是存储电路图；

图8是CPU芯片外围电路图；

具体实施方式

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，下面结合附图对本实用新型的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但本实用新型能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有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，不是旨在于限制本实用新型。

如图1所示，一种无人机异构双余度传感器装置，包括主传感器设备、备传感器设备、异构双余度传感器电路。异构双余度传感器电路包括：CPU芯片和与其连接的RS232电路、SPI电路、电源电路、CAN通讯电路；所述RS232电路分别连接双天线差分GPS模块、磁罗盘模块、备用GPS模块；所述SPI电路连接气压高度计模块；所述电源电路连接无人机上的12V电源，降压为3.3V输出给该异构双余度传感器电路；所述CAN通讯电路连接无人机上的控制系统。

所述主传感器设备是由两块NovAtel OEM617板卡组成的双天线差分GPS模块，该模块在建立位置/速度信息后，提供经纬度、速度信息，在差分后，同时提供高度信息，在建立航向后，同时提供航向信息，并通过RS232通信接口将数据发送给余度管理单元。所述备传感器设备由备用GPS模块、磁罗盘、气压高度计组成，其中备用GPS模块为NEO-M8N模块、磁罗盘为HMR-2300模块、气压高度计为MS5611模块，备用GPS模块在建立位置/速度信息后，提供经纬度、速度信息，磁罗盘提供航向信息，两个模块通过RS232通信接口将数据发送给余度管理单元，气压高度计提供高度信息，通过SPI通信接口将数据发送给余度管理单元。所述CPU芯片为一块STM32F427芯片板卡。

如图2所示，为RS232接口电路。RS232接口电路，通过SP3232芯片将STM32F427芯片的串口转换为RS232协议并与外部的双天线GPS、磁罗盘和备用GPS连接。

芯片U4(型号为SP3232EEA)的C1+端口经过电容C17连接C1-端口，C2+端口经过电容C22连接C2-端口，VCC连接3.3V电源，GND端口接地，V+端口经过电容C15连接3.3V，3.3V经过电容C16接地，V-端口经过电容C23接地；T1IN端口、R1OUT端口作为第一路RS232信号连接CPU芯片的UART1端口(PA9-PA10)，T1OUT端口、R1IN端口作为第一路RS232信号连接双天线差分GPS模块；T2IN端口、R2OUT端口作为第二路RS232进出信号连接CPU芯片的UART2端口(PA2-PA3)，T2OUT端口、R2IN端口作为第二路RS232信号连接磁罗盘模块。

芯片U5(型号为SP3232EEA)的C1+端口经过电容C29连接C1-端口，C2+端口经过电容C31连接C2-端口，VCC连接3.3V电源，GND端口接地，V+端口经过电容C30连接3.3V，3.3V经过电容C28接地，V-端口经过电容C33接地；T1IN端口、R1OUT端口作为第三路RS232信号连接CPU芯片的UART3端口(PD8-PD9)，T1OUT端口、R1IN端口作为第三路RS232信号连接备用GPS模块；T2IN端口、R2OUT端口作为第四路RS232进出信号连接CPU芯片的UART4端口(PA0-PA1)，T2OUT端口、R2IN端口作为第四路RS232信号用于可扩展接口，连接外部的扩展传感器。

如图3所示，为气压高度计电路，通过SPI接口连接MS5611气压高度计芯片和STM32F427芯片。气压计芯片U1型号为NS5611，其VDD端口经过电容C15接地，PS端口、GND端口接地，CSB端口悬空，SCLK、SDI、SDO端口输出SPI信号连接至CPU芯片(STM32F427)的SPI端口(PA5-PA7)，CSB为气压计芯片片选端口，连接至CPU芯片IO端口(PD7)。.

如图4所示，为CAN总线接口电路。SN65HVD230芯片为CAN总线芯片，3.3V经过电容C21连接至GND端口，VCC端口连接3.3V，TXD、RXD端口为CAN信号连接至CPU芯片的CAN端口(PA12-PA11)，RS端口经过电阻R9接地GND端口，CANH、CANL端口之间连接电阻R15，Vref悬空，CANH、CANL端口还作为级联的端口连接飞控的CAN端口传输数据。

如图5所示，为电源电路。系统供电电路，通过该电路，可以将外部的12V输入电压转换成系统需要的5V和3.3V电压。外部的12V直流电经过整流二极管D2(型号为IN4001)连接至降压芯片U3(型号为LM2596S-5V)输入端口IN，输入端口IN还经过电容C20接地，GND端口接地，On/Off端口接地，ReedBack端口输出+5V直流电，OUT端口经过电容C18与稳压二极管DW1(型号15BQ030)并联后接地。+5V直流电连接降压芯片U10的输入端IN，TAB端口连接3.3V电源，GND端口接地，芯片U10(型号为TLV1117-3.3)的输入端IN还经过电容C24与电容C25并联后接地，OUT端口输出3.3V直流电源，OUT端口还经过电容C26与电容C27并联后接地。

如图6所示，为RS422电路图。通过芯片U6(型号为MAX3488)将STM32F427芯片的串口转换为RS422协议信号，U5GND端口，VCC端口分别接DGND和3.3V，VCC端口和GND端口通过去耦电容C32连接，A/B端口作为RS422接口差分型号接收端，两端通过匹配电阻R17连接，同时分别通过R16和R19与3.3V和DGND连接。Z/Y端口作为RS422接口差分型号发送端，两端通过匹配电阻R18连接，备用RS422总线接口电路作为备用电路。

如图7所示，为存储电路。SD卡槽M1的D0、D1、D2、D3、CLK、CMD端口分别连接CPU芯片的SCIO存储端口(PA8-PA12)，还分别经过电阻R10—R14连接3.3V电源，GND端口接地，VCC端口连接3.3V电源。

如图8所示，为CPU芯片外围电路图。STM32F427芯片及外围电路，包括一片100管脚的STM32F427芯片，和用于维持其工作的外围电路，包括：晶振、复位电路、flash选择电路(用于选择从片内flash启动)、去耦电容和芯片供电电路。其中，晶振电路由25MHZ的无源晶振Y1与STM32F427芯片PH0和PH1连接，同时通过去耦电容C8、C10与GND连接。STM32F427芯片的BOOT0端口和PB2端口(BOOT1)分别通过电阻R2和电阻R3与GND连接。STM32F427芯片的NRST端口通过电阻R1与3.3V连接，通过电容C9与GND连接，组成复位电路。接口P3通过电阻R4和R5与STM32F427芯片PA13和PA14连接，用于程序烧录。3.3V与STM32F427芯片的VDD1～VDD5、VDD12连接，GND与芯片VSS2、VSS4、VSS5、PDR_ON连接为芯片供电，SBatery1纽扣电池正极与STM32F427芯片的VBAT连接，负极与GND连接，在无外部输入电源是提供休眠电源。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无人机异构双余度传感器装置，其特征在于，所示该装置设在无人机上，包括：异构双余度传感器电路以及与其连接的主传感器设备、备传感器设备；

所述主传感器设备为双天线差分GPS模块；

所述备传感器设备包括磁罗盘模块、备用GPS模块、气压高度计模块；

所述异构双余度传感器电路包括：CPU芯片和与其连接的RS232电路、SPI电路、电源电路、CAN通讯电路；所述RS232电路分别连接双天线差分GPS模块、磁罗盘模块、备用GPS模块；所述SPI电路连接气压高度计模块；所述电源电路连接无人机上的12V电源，降压为3.3V输出给该异构双余度传感器电路；所述CAN通讯电路连接无人机上的控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种无人机异构双余度传感器装置，其特征在于，所述电源电路包括：外部的12V直流电经过整流二极管D2连接至降压芯片U3输入端口IN，输入端口IN还经过电容C20接地，On/Off端口接地，ReedBack端口输出+5V，OUT端口经过电容C18与稳压二极管DW1并联后接地；+5V连接降压芯片U10的输入端IN，TAB端口连接3.3V电源，芯片U10的输入端IN还经过电容C24与电容C25并联后接地，OUT端口输出3.3V电源，OUT端口还经过电容C26与电容C27并联后接地。

3.根据权利要求1所述的一种无人机异构双余度传感器装置，其特征在于，所述RS232电路包括2组连接关系相同的232芯片及其外围电路，其连接双天线差分GPS模块、磁罗盘模块、备用GPS模块共三路RS232信号。

4.根据权利要求3所述的一种无人机异构双余度传感器装置，其特征在于，每组所述232芯片及其外围电路包括：芯片U4的C1+端口经过电容C17连接C1-端口，C2+端口经过电容C22连接C2-端口，VCC连接3.3V电源，GND端口接地，V+端口经过电容C15连接3.3V，3.3V经过电容C16接地，V-端口经过电容C23接地；T1IN端口、R1OUT端口作为第一路RS232信号连接CPU芯片的UART1端口，T1OUT端口、R1IN端口作为第一路RS232信号连接双天线差分GPS模块；T2IN端口、R2OUT端口作为第二路RS232进出信号连接CPU芯片的UART2端口，T2OUT端口、R2IN端口作为第二路RS232信号连接磁罗盘模块；

芯片U5的T1IN端口、R1OUT端口作为第三路RS232信号连接CPU芯片的UART3端口，T1OUT端口、R1IN端口作为第三路RS232信号连接备用GPS模块。

5.根据权利要求1所述的一种无人机异构双余度传感器装置，其特征在于，所述SPI电路包括：气压计芯片U1的VDD端口经过电容C15接地，PS端口、GND端口接地，SCLK、SDI、SDO端口输出SPI信号连接至CPU芯片的SPI端口，CSB端口连CPU芯片的PD7端口。

6.根据权利要求1所述的一种无人机异构双余度传感器装置，其特征在于，所述CAN通讯电路包括：3.3V经过电容C21连接至GND端口，VCC端口连接3.3V，TXD、RXD端口为CAN信号连接至CPU芯片的CAN端口，RS端口经过电阻R9接地GND端口，CANH、CANL端口之间连接电阻R15，CANH、CANL连接CAN总线接口。

7.根据权利要求1所述的一种无人机异构双余度传感器装置，其特征在于，所述该异构双余度传感器电路还包括存储电路：SD卡槽M1的D0-D3、CLK、CMD端口分别连接CPU芯片的SCIO存储端口，还分别经过上拉电阻R10-R14连接3.3V电源，VCC端口连接3.3V电源。

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