CN104503467A - 基于双核架构的无人机自主起降飞行控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双核架构的无人机自主起降飞行控制***,包括:导航数据采集和融合模块,用于采集传感器数据,作为制定飞行控制算法和策略的依据;飞行控制模块,用于通过飞机的导航和状态数据,对飞机的姿态和速度进行控制;舵机控制模块,用来监控人工遥控信号和指令、输出控制指令控制舵机、采集执行机构实际位置信息;通信协议控制模块,用于采用多电台和多通道,实现飞机与地面站之间、飞机与地基视觉导航***之间的通信;***状态监控模块,用于对飞行状态和机载设备进行状态监控;数据记录模块,用于实现飞机状态信号和传感器数据的记录。本发明具有效率高、稳定性好、可靠性强、集成度高等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到无人机的控制领域,特指一种基于双核架构的无人机自主起降飞行控制***。
背景技术
随着航空技术的发展,无人机在军事和民用领域的应用日益广泛。从各国无人机事故统计情况来看,大部分事故都是发生在无人机的起降过程中。而无人机的起降过程,精确引导和相对定位信息是关键,由于不同类型的传感器都有自身的优缺点和适用范围,综合多种传感器的信息,能够为多种条件下稳定起降提供保障。因此,支持自主起降的设计重点在于为多种传感器提供丰富接口,并且具有较强的外设扩展能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题,本发明提供一种效率高、稳定性好、可靠性强、集成度高的基于双核架构的无人机自主起降飞行控制***。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
一种基于双核架构的无人机自主起降飞行控制***,包括:
导航数据采集和融合模块,用于采集传感器数据,通过融合得到飞机的状态数据,并将结果送入飞行控制模块,作为制定飞行控制算法和策略的依据;
飞行控制模块,用于通过飞机的导航和状态数据,对飞机的姿态和速度进行控制,实现对水平位置和高度的控制;
舵机控制模块,用来监控人工遥控信号和指令、输出控制指令控制舵机、采集执行机构实际位置信息;
通信协议控制模块,用于采用多电台和多通道,实现飞机与地面站之间、飞机与地基视觉导航***之间的通信;
***状态监控模块,用于对飞行状态和机载设备进行状态监控;
数据记录模块,用于实现飞机状态信号和传感器数据的记录。
作为本发明的进一步改进:所述传感器数据包括加速度计、陀螺仪、磁罗盘、空速计、GPS、机载/地基视觉引导***、无线电高度表、超宽带雷达数据。
作为本发明的进一步改进:所述飞机的状态数据包括飞机的姿态、速度、位置、加速度、相对位置信息。
作为本发明的进一步改进:所述飞行状态和机载设备状态包括***电源电压、设备温度、***总功耗和每个设备的工作状态。
作为本发明的进一步改进:所述数据记录模块中的数据记录采用FAT16文件方式实现,通过TF卡接口、读卡器直接连接PC计算机,将数据读回到计算机分析和处理。
作为本发明的进一步改进:所有功能模块均通过双ARM Cortex M4+DSP架构实现,每个CPU的任务又进行了模块划分,与六个功能模块对应。
作为本发明的进一步改进:在所述舵机控制模块中对遥控器信号采集为采集8路遥控信号和S-Bus信号,得到两路独立的遥控接收机信号;输出的舵机控制信号综合自驾控制算法的输出和遥控器的输出,采用CAN综合和串口模拟的S-Bus信号两路输出到舵机控制器。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
本发明的基于双核架构的无人机自主起降飞行控制***具有效率高、稳定性好、可靠性强以及集成度高等优点。本发明针对无人机的自主起降过程,采用双ARM Cortex M4+DSP架构,综合多传感器融合策略,利用舵机控制回路冗余设计的方法,为其提供了一种多核数据并行处理、多传感器数据融合、丰富的、可扩展的外设接口设计,最终实现了一套飞行控制***。
附图说明
图1是本发明的拓扑结构示意图。
图2是本发明在具体应用实例中飞行控制模块的结构框架示意图。
图3是本发明在具体应用实例中导航数据采集和融合模块的框架结构示意图。
图4是本发明在具体应用实例中舵机控制模块的框架结构示意图。
图5是本发明在具体应用实例中进行自主起降试验时的降落轨迹示意图。
图6是本发明在具体应用实例中进行自主起降试验时的降落轨迹曲线示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示,本发明的基于双核架构的无人机自主起降飞行控制***,包括:
导航数据采集和融合模块,用于采集传感器数据,通过融合得到飞机的状态数据,并将结果送入飞行控制模块,作为制定飞行控制算法和策略的依据。在具体应用时,所述传感器数据包括加速度计、陀螺仪、磁罗盘、空速计、GPS、机载/地基视觉引导***、无线电高度表、超宽带雷达等原始传感器数据。所述飞机的状态数据包括飞机的姿态、速度、位置、加速度、相对位置信息。
飞行控制模块,用于通过飞机的导航和状态数据,通过控制律解算,实现飞机的姿态和速度控制,从而实现对水平位置和高度的控制。
舵机控制模块,用来监控人工遥控信号和指令、输出控制指令控制舵机、采集执行机构实际位置信息。
通信协议控制模块,用于采用多电台和多通道,实现飞机与地面站之间、飞机与地基视觉导航***之间的通信。
***状态监控模块,用于对飞行状态和机载设备进行状态监控;所述飞行状态和机载设备状态包括***电源电压、设备温度、***总功耗和每个设备的工作状态。
数据记录模块,用于实现飞机状态信号和传感器数据的记录;该数据记录采用FAT16文件方式实现,根据实际需要可以通过设计的TF卡接口,通过读卡器直接连接PC计算机,将数据读回到计算机分析和处理。
由上可知,本发明采用将飞行控制、***管理、导航信息融合3个主要功能模块进行相对独立的设计方法。在整个控制***中采用双核架构的CPU,如:采用双ARM Cortex M4+DSP架构,每个CPU的任务又进行了模块划分,把整个***分为上述6个功能模块。
对于飞行控制功能而言,为了突出高处理能力、低功耗、大容量存储信息等特点,本发明的飞行控制模块采用CPU+“硬盘”+内存的典型架构,电路图如图2所示。CPU选用意法半导体公司STM32F407ZGT6高性能32位处理器,基于ARM Cortex-M4内核,以168MHz主频达到210DMIPS的处理能力。导航CPU选用TI公司TMS320C28X系列浮点控制器,具有150MHz主频的高速32位浮点处理能力。内存采用ISSI公司生产的型号为IS62WV51216BLL 8M静态随机存储器,置于CPU与主存之间的高速缓存,处理速度可达到45ns,提高了整个***的工作效率。
飞行数据记录和存储是飞行控制***的一项重要任务,对于存储航线、航点信息与导航、控制参数、飞行状态数据以及后续大量视觉图像处理信息与视频信息,本发明采用“硬盘”TF卡方式实现,选用SanDisk 64G存储卡,class 10速度等级,可达到32MB/s的读取速度,SPI接口方便与***通信。采用FAT16文件***,记录***配置、参数和实时状态数据。
对于导航数据采集与融合功能而言,为了支持无人机自主起降,导航模块除了传统的惯性测量单元(3轴陀螺仪,3轴加速度计和3轴磁罗盘)加GPS外,还引入了融合其它多类型传感器的数据。导航运算采用DSP完成,采用集成度高的ADIS16480(包含了三轴陀螺仪、三轴加速度、三轴磁力计和气压高度计,内置扩展卡尔曼滤波器)作为惯性单元,GPS采用u-blox的LET-6,设计了数字接口的空速计。外部扩展了其它导航模块,包括差分GPS、无线电高度表、超宽带雷达、机载视觉和地基视觉导航信息采用CAN总线、SCI接口引入***中。整个***的设计关键是怎样融合不同采样速率的导航数据,其***框图如图3所示。
对于舵机控制与冗余控制功能而言,舵机是无人机的执行机构,实现对飞机的姿态和发动机转速的控制。本发明对无人机内环(舵回路)控制精度提高与减少舵机之间的走线进行了设计,通过对舵机改造,引用舵机控制板实时采集执行机构真实反馈状态,形成舵机回路闭环控制,提高内环控制精度。对舵机控制指令采用CAN总线传输,实现了总线舵机,减少了走线,降低了干扰;并对舵机控制回路引入冗余设计思想,提高了无人机的可靠性。对遥控器信号采集采用了冗余设计方法,同时采集8路遥控信号和S-Bus信号,得到了两路独立的遥控接收机信号。输出的舵机控制信号会综合自驾控制算法的输出和遥控器的输出,采用CAN综合和串口模拟的S-Bus信号两路输出到改造后的舵机控制器,保证在自驾算法错误或者遥控信号失灵的情况下,舵机能够正常受控,保证飞机安全。在硬件实现上,充分利用ARMPWM模块的功能,尽量减少软件捕获的负担,提高***可靠性,其***结构如图4所示。
在具体应用实例中,进行自主起降试验:无人机自主起降实验由某固定翼中小型无人机、飞行控制***、地面站、差分GPS、无线电高度表、电台等机载设备组成。以无人机自主降落为例,无人机自主降落过程,可以分为图5所示的5个阶段,①对准阶段1:到达指定航点,控制高度,位置,直到到达航点0的半径之内。②对准阶段2:对准跑道,主要控制航向,平飞,控制油门到设定值,俯仰调节会补偿滚转带来的高度降低。③降落阶段:降低高度,恒定垂直速度3m/s,控制航向对准跑道,一直到高度降低到航点2设定高度。④拉平阶段:油门恒定,控制高度,航向对齐跑道,直到到达航点2的半径范围内,主要用于调节定点降落。⑤飘落阶段:首先利用油门和俯仰控高到落地点+1m,此时最低油门就是关闭发动机,然后拉起,角度为3°。
如图6所示,表示无人机的降落轨迹。从图中可以得出,实际飞行降落时,其降落轨迹可以按照对准、降落、拉平与飘落过程实现精准降落。由上可知,其表明了该***综合多传感器信息融合,进而稳定有效可靠地支撑了无人机的自主起降。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于双核架构的无人机自主起降飞行控制***,其特征在于,包括:
导航数据采集和融合模块,用于采集传感器数据,通过融合得到飞机的状态数据,并将结果送入飞行控制模块,作为制定飞行控制算法和策略的依据;
飞行控制模块,用于通过飞机的导航和状态数据,对飞机的姿态和速度进行控制,实现对水平位置和高度的控制;
舵机控制模块,用来监控人工遥控信号和指令、输出控制指令控制舵机、采集执行机构实际位置信息;
通信协议控制模块,用于采用多电台和多通道,实现飞机与地面站之间、飞机与地基视觉导航***之间的通信;
***状态监控模块,用于对飞行状态和机载设备进行状态监控;
数据记录模块,用于实现飞机状态信号和传感器数据的记录。
2.根据权利要求1所述的基于双核架构的无人机自主起降飞行控制***,其特征在于,所述传感器数据包括加速度计、陀螺仪、磁罗盘、空速计、GPS、机载/地基视觉引导***、无线电高度表、超宽带雷达数据。
3.根据权利要求1所述的基于双核架构的无人机自主起降飞行控制***,其特征在于,所述飞机的状态数据包括飞机的姿态、速度、位置、加速度、相对位置信息。
4.根据权利要求1所述的基于双核架构的无人机自主起降飞行控制***,其特征在于,所述飞行状态和机载设备状态包括***电源电压、设备温度、***总功耗和每个设备的工作状态。
5.根据权利要求1所述的基于双核架构的无人机自主起降飞行控制***,其特征在于,所述数据记录模块中的数据记录采用FAT16文件方式实现,通过TF卡接口、读卡器直接连接PC计算机,将数据读回到计算机分析和处理。
6.根据权利要求1~5中任意一项所述的基于双核架构的无人机自主起降飞行控制***,其特征在于,所有功能模块均通过双ARM Cortex M4+DSP架构实现,每个CPU的任务又进行了模块划分,与六个功能模块对应。
7.根据权利要求1~5中任意一项所述的基于双核架构的无人机自主起降飞行控制***,其特征在于,在所述舵机控制模块中对遥控器信号采集为采集8路遥控信号和S-Bus信号,得到两路独立的遥控接收机信号;输出的舵机控制信号综合自驾控制算法的输出和遥控器的输出,采用CAN综合和串口模拟的S-Bus信号两路输出到舵机控制器。
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |