CN102424112A - 微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置 - Google Patents

微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置 Download PDF

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一种微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置，属于微型飞行器技术领域，导航控制器、惯性测量单元、微型激光测距传感器、微型视觉传感器和WiFi无线网络组成导航控制层，姿态控制器、陀螺仪、加速度计、磁强计、压力传感器、超声波传感器、遥控器和接收器单元和ZigBee无线通讯单元组成姿态控制层，四个无刷电机调速器和四个执行器单元组成电机调速控制层，本发明增加了姿态控制器，使整个飞行装置变得智能、能够自主导航定位、规避障碍和摈弃对遥控器的手动操作依赖，成为意义上的智能机器人。

Description

微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置
技术领域
本发明属于微型飞行器技术领域，特别涉及一种微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置。
背景技术
微型飞行器(MAV：Micro Aerial Vehicle)具有体积小、重量轻、携带方便、操作简单、隐蔽性好、机动灵活等特点，在现代军事和民用方面有着十分广阔的应用前景，引起国际上控制领域、机器人领域及航空领域愈来愈多研究者的关注。军事上，微型飞行器可用于敌情侦察、目标追踪、电子干扰、损伤评估、核生化取样、部署传感器、中继通信、甚至主动进攻和防御；民用上，微型飞行器可用于各类监测、监控、巡视、搜救、摄影、测绘、调查和考察。
虽然最初无人机市场主要是面向军事运用且价格昂贵，但近年由于微型化、机电一体化和微电子技术的发展，使得商业化应用微小型、低成本的无人机***成为可能。这种微小型无人机可以同时适用于室内外环境，因此具有与传统无人机完全不同的新的应用领域。然而，室内飞行也带来了无人机体积、重量和能动性方面的挑战，使得很多类型的飞行器都无法满足以上要求。其中一种可以广泛同时适用于室内外环境使用的飞行器就是旋翼式的，特别是微小型四旋翼飞行器。微小型四旋翼飞行器是一种通过四旋翼桨驱动的、可垂直升降的飞行器，被广泛应用于微型飞行器的设计中。四旋翼在总体布局上属于非共轴式碟形飞行器，与常规旋翼飞行器相比，能产生更大的升力。另外四旋翼可以互相抵消反扭矩力矩，不需要专门的反扭矩桨。此外，它通过平衡四个旋翼产生的力来实现稳定的盘旋以及精确飞行，采用更小的螺旋桨，进而使飞行变得更加安全。
但是，目前大多数研究者所提出的微小型四旋翼飞行机器人都是面向于开阔的室外环境的，多采用GPS定位***实现机器人的自主飞行。然而，GPS位置信号的精确性很大程度上依赖于用于计算位置的卫星的个数以及接收信号的质量。由于电磁波的多径传播特性、与机载设备的电磁干扰以及人为干扰等都会使得GPS定位失效，因此在高楼耸立的市区、室内等环境往往得不到可靠的GPS定位信号。此外，由于目前大多数的微小型飞行机器人***缺乏里程计***，因此在无GPS信号或者GPS信号错误时就会产生灾难性的后果。所以，目前的微小型四旋翼飞行机器人还无法适用于室内、危险矿井、隧道、建筑物繁密的市区等领域的自主搜索、救援、环境探测与监控等。
发明内容
针对现有装置存在的不足，本发明提出一种微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置，以达到在无GPS定位的情况下自主导航定位的目的。
本发明的技术方案是这样实现的：一种微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置，包括：姿态控制器、陀螺仪、加速度计、磁强计、压力传感器、超声波传感器、遥控器和接收器单元、ZigBee无线通讯单元、无刷电机调速器、执行器单元和供电电池，此外还包括导航控制器、惯性测量单元、微型激光测距传感器、微型视觉传感器、WiFi无线网络；
所述的导航控制器、惯性测量单元、微型激光测距传感器、微型视觉传感器和WiFi无线网络组成导航控制层，实现无GPS信号区域的精确定位；
所述的姿态控制器、陀螺仪、加速度计、磁强计、压力传感器、超声波传感器、遥控器和接收器单元和ZigBee无线通讯单元组成姿态控制层；
四个无刷电机调速器和四个执行器单元组成电机调速控制层；
导航控制层、姿态控制层和电机调速控制层组成三层机载控制结构；其中，导航控制层与姿态控制层通过USB串口进行通讯，导航控制层对自身传感器采集到的信号进行处理，并将结果传递给姿态控制层；
所述的姿态控制层对自身传感器采集到的信号进行处理或将其传感器采集到的信号发送给导航控制层，由导航控制层对采集到的信号进行处理后再返回姿态控制层；
所述的姿态控制层提供4路PWM信号控制电机调速控制层工作；
所述的惯性测量单元，是集成陀螺仪、加速度计和磁强度计于一体的用于测量物体角速率和加速度的传感器，其保证在去掉导航控制层后，姿态控制层仍控制电机调速控制层正常工作；
所述的无刷电机调速器接受姿态控制层的控制信号并调节执行器单元中无刷电机的转动速度；
所述的执行器单元包括无刷电机和与之配套的螺旋桨，由其产生升力并带动飞行器运行。
本发明的优点：本发明中增加了导航控制层，导航控制层通过串口与姿态控制层连接后，实现各层上传感器信息数据的互通，导航控制器可以传递控制信号给姿态控制器，姿态控制器上的传感器信息也可上传给导航控制器计算处理，整个飞行装置变得智能、能够自主导航定位、规避障碍和摈弃对遥控器的手动操作依赖，成为意义上的智能机器人。
附图说明
图1为本发明一种微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置总结构框图；
图2为本发明一种微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置导航控制层的结构示意图；
图3为本发明一种微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置姿态控制层的结构示意图；
图4为本发明一种微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置电机调速控制层结构框示意图；
图5为本发明一种微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置无刷电机及螺旋桨示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置的整体结构如图1所示，本实施例中，导航控制器的型号为M-PMI2-1.5，惯性测量单元的型号为MTi_AHRS，微型激光测距传感器的型号为URG-04LX，微型视觉传感器的型号为FFMU-03MTM/C，姿态控制器的型号为ArduinoMEGA2560，陀螺仪的型号为I TG-3200，加速度计的型号为BMA180，磁强计的型号为HMC5843，，压力传感器的型号为BMP085，超声波传感器的型号为PING，遥控器的型号为FT06-C，接收器型号为FRP06-P，无线通讯模块扩展板的型号为XBee Shield V1.0，无线通讯模块的型号为XBee Pro XBP24-AWI-001，无线通讯模块USB适配器的型号为XBee USBAdapter，4个无刷电机调速器的型号均为HOBBYWING PENTIUM-30A，4个执行器单元采用无刷电机，其型号为A2212KV1000。
本实施例中一种微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置，各部件的连接关系为：
导航控制层：导航控制器的数据输入端连接惯性测量单元的输出端、微型激光测距传感器的输出端和微型视觉传感器的输出端，导航控制器的无线信号输入输出端连接WiFi无线网络的输入输出端；
姿态控制层：姿态控制器的数据输入端连接陀螺仪的输出端、加速度计的输出端、磁强计的输出端、压力传感器的输出端和超声波传感器的输出端，姿态控制器与遥控器和接收器单元的信号输出端连接，姿态控制器的无线通讯端口连接ZigBee无线通讯单元的输入输出端；
电机调速控制层：无刷电机调速器的输出端连接执行器单元的输入端；
供电电池为微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置中各部件进行供电。
图2为导航控制层的结构示意图，导航控制器是整个机载飞控装置的大脑，它接收由惯性测量单元采集到的机载飞控装置角速度，三维加速度和地磁场强度实时数据，由微型视觉传感器采集到的图像数据，微型激光测距传感器采集到飞行器与四周物体间的距离实时数据，实现对飞控装置的定位、导航和地图创建，实现了在无GPS信号区域的精确导航定位，解决了在高楼耸立的市区、室内等环境，由于电磁波的多径传播特性以及其他电子设备的电磁干扰，得不到可靠的GPS定位信号的难题。
本实施例所采用的导航控制器M-PMI2-1.5为单板计算机，符合PC/104协议规范(PC/104，PC/104-Plus，PCI/104和PCI/104-Express)，M-PMI2-1.5是一个嵌入式主板，上面集成了处理器，芯片组及***接口连接器，本实施例中用到它的4个USB端口和1个COM1串口，其中，嵌入式主板上提供了4个USB2.0插口，每个USB2.0插口都有4个插针，代表信号USBVcc、USB-、USB+、GND，将厂家提供的第一附带接线一端***USB2.0插口的4个插针上，第一附带接线另一端就是正常的USB输出接口，嵌入式主板共有4个USB输出端，即USB1、USB2、USB3和USB4，嵌入式主板上的COM1串口，符合RS232协议，它是10针插孔，其中9个插针有信号定义，厂家提供的第二附带接线一端***COM1串口，第二附带接线另一端作为输出端；整个导航控制器工作在+5V电压下，主板上有两个电源接口Power1和Power2，都是10针插孔，1，7，9插针表示接地GND，2，8，10插针表示+5V，本实施例使用其中一个电源端口Power1，用厂家提供的附带接线引出，接到开关中，再连接到供电锂电池上；
惯性测量单元测量的型号为IMU，它是一种集成了陀螺仪、加速度计和磁强计的传感器，导航控制器的第二附带接线的输出端连接惯性测量单元的7芯圆插口，导航控制器的USB1端连接微型视觉传感器的MinUSB1端，导航控制器的USB2端口连接微型激光测距传感器的MiniUSB2端口，导航控制器的USB3端口连接无线网卡WLG-12254M的输出端，导航控制器的USB4端口通过USB连接线与姿态控制器的串口转USB端连接；导航控制器的Power1端口引出+5V和GND信号，分别连接微型激光测距传感器Power端的+5V和GND信号，再连接上层开关和供电锂电池；其中，所述的微型激光测距传感器不能通过USB直接供电；
姿态控制层的框图如图3所示，姿态控制器采用单片机实现，一般由姿态控制层和电机调速控制层搭建的飞行器记载装置也能实现飞行器的姿态飞行，但需要遥控器进行人工手动控制，且姿态控制器需要一台额外的PC机支持，本实施例中增加了导航控制层，导航控制层通过串口与姿态控制层连接后，实现各层上传感器信息数据的互通，导航控制器可以传递控制信号给姿态控制器，姿态控制器上的传感器信息也可上传给导航控制器计算处理，整个飞行装置变得智能、能够自主导航定位、规避障碍和摈弃对遥控器的手动操作依赖，成为意义上的智能机器人。
姿态控制器的D2～D7端依次连接接收器的THRO(油门)端、ALLE(副翼)端、ELEV(升降)端、RUDO(方向)端、GEAR(起落架/陀螺仪)端和AUX(襟翼/螺距)端，姿态控制器的SDA串行数据端A4、串行时钟端A5分别连接逻辑电平转换器的SDA-H端和SCL-H端，逻辑电平转换器的SDA端分别连接磁强度计的数据端、加速度计的SDA端、陀螺计的SDA端和压力传感器的SDA端，逻辑电平转换器的SCL端分别连接磁强度计的SCL端、加速度计的SCL端、陀螺计的SCL端和压力传感器的SCL端，逻辑电平转换器的+3.3V端分别连接磁强度计的+3.3V端、加速度计的+3.3V端、陀螺计的+3.3V端和压力传感器的+3.3V端，逻辑电平转换器的GND端分别连接磁强度计的GND端、加速度计的+GND端、陀螺计的GND端和压力传感器的GND端；姿态控制器的D20端口连接超声波传感器的SIG端，姿态控制器的D8-D11端通过其接口电路板上的1～4号脚连接四个无刷电机调速器的输入端，姿态控制器的I/O端的TX端和RX端通过Xbee扩展板连接第一ZigBee无线通讯模块的DI端和DOUT端，姿态控制器的+3.3V端和GND端通过Xbee扩展板连接第一ZigBee无线通讯模块的+3.3V端和GND端；第二个Zigbee的DI端、DOUT端连接USB适配器的DI端、DOUT端，USB适配器通过USB端与地面站进行连接；
上层的惯性测量单元是集成了陀螺仪、加速度计、磁强计作用于一体的传感器，其测量精度高于该层，惯性测量单元的引入并非多余，它的精度高，集成温度、三位安装误差以及传感器交叉轴影响的补偿，可以对比校正数据信息；中层单个陀螺仪、加速度计、磁强计的使用，使得飞行器在卸掉上层导航控制层后仍然能为***提供姿态实时数据。
姿态控制层中的传感器工作电压在3.3V，而姿态控制器使用的单片机工作电压是5V，需要搭载5V-3.3V逻辑电平转换器，因此把姿态控制器的模拟输入端A4和A5作为串行数字SDA和串行时钟SCL信号端，并加上转换后的电平+3.3V和接地GND，以总线的方式和陀螺仪、加速度计、磁强计传感器、压力传感器对应连接。
遥控器内有编码电路，对电磁波进行调制，使电磁波带上密码，接收器收到信号后，对密码进行鉴别，得到控制信号，对于接收器来说，其工作频段在72MHz，工作电压范围4.8-6V，六通道，接收器的天线最好缠绕在30cm左右的塑料细杆上，用以保证良好的射频信号接收，至于遥控器，为PPM编码方式，使用9.6-12V的锂电池供电，在遥控器工作时，发射功率小于等于100mW，工作电流小于等于160mA。
Zigbee无线通讯单元包括Zigbee无线通讯模块及相应的扩展板和USB适配器，地面站可向姿态控制器传送控制命令和任务，同时接收传感器实时数据等信息，当飞行器没有上层导航控制层时，更确切的说是没有WiFi无线网络时，则主要依靠无线通讯单元进行通讯，当飞行器远离地面距离较远时，则需要借助于导航控制层的WiFi无线网络。
图4为电机调速控制层结构框图，以一个无刷电机调速器为例，说明其连接关系：无刷电机调速器的Vdd端连接中层开关的Vdd端再连接锂电池的正极，无刷电机的GND端连接中层开关的GND端再连接锂电池的GND端，无刷电机调速器的输入端连接姿态控制器的接口电路板上的1号脚的S端，无刷电机调速器的+5V端连接姿态控制器的+5V端，无刷电机调速器的GND端连接姿态控制器的GND端，无刷电机调速器的三相电压输出端A、B、C分别连接无刷电机的三相电机输入端；四个无刷电机的连接方法与此相同；
图5为微型四旋翼飞行器的无刷电机与相应配套的螺旋桨结构示意图，四只旋翼分别安装于无刷电机的四个顶点位置，分为顺时针和逆时针两组，位于同一对角线上的两只旋翼同组，即前后1，2旋翼同组，左右3，4旋翼同组。由于旋翼对角固定，只能通过控制四只旋翼的转速来实现飞行器的飞行控制。悬停时，四只旋翼的转速相等，以相互抵消反扭力矩；同时等量地增大或减小四只旋翼的转速，会引起上升或下降运动；增大某一只旋翼的转速的同时，等量地减小同组另一只旋翼的转速，则可以产生俯仰或横滚转动；增大某一组旋翼的转速，而等量减小另一组旋翼的转速，将产生偏航运动。因此，关于螺旋桨的选择有正反之分，无刷电机的转动也有正反向之别。本实施例中，无刷电机采用的型号是A2212 KV1000，其中KV值大小表示电压每升高1V无刷电机转速增加的数值，无刷电机转速快，足以提供微小型飞行器的升力。

Claims (4)

1.一种微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置，包括：姿态控制器、陀螺仪、加速度计、磁强计、压力传感器、超声波传感器、遥控器和接收器单元、ZigBee无线通讯单元、无刷电机调速器、执行器单元和供电电池，其特征在于：还包括导航控制器、惯性测量单元、微型激光测距传感器、微型视觉传感器、WiFi无线网络；
所述的导航控制器、惯性测量单元、微型激光测距传感器、微型视觉传感器和WiFi无线网络组成导航控制层，实现无GPS信号区域的精确定位；
所述的姿态控制器、陀螺仪、加速度计、磁强计、压力传感器、超声波传感器、遥控器和接收器单元和ZigBee无线通讯单元组成姿态控制层；
四个无刷电机调速器和四个执行器单元组成电机调速控制层；
导航控制层、姿态控制层和电机调速控制层组成三层机载控制结构；其中，导航控制层与姿态控制层通过USB串口进行通讯，导航控制层对自身传感器采集到的信号进行处理，并将结果传递给姿态控制层；
所述的姿态控制层对自身传感器采集到的信号进行处理或将其传感器采集到的信号发送给导航控制层，由导航控制层对采集到的信号进行处理后再返回姿态控制层；
所述的姿态控制层提供4路PWM信号控制电机调速控制层工作。
2.根据权利要求1所述的一种微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置，其特征在于：所述的惯性测量单元，是集成陀螺仪、加速度计和磁强度计于一体的用于测量物体角速率和加速度的传感器，其保证在去掉导航控制层后，姿态控制层仍控制电机调速控制层正常工作。
3.根据权利要求1所述的一种微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置，其特征在于：所述的无刷电机调速器接受姿态控制层的控制信号并调节执行器单元中无刷电机的转动速度。
4.根据权利要求1所述的一种微小型四旋翼飞行器的三层机载飞控装置，其特征在于：所述的执行器单元包括无刷电机和与之配套的螺旋桨，由其产生升力并带动飞行器运行。
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