CN105739515B - 一种无人机飞行控制器模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人机飞行控制器模块，包括用于支撑整个传感器单元的减振框架，减振框架底部设置有主控制电路板；主控制电路板四周设置有半孔引脚，用于和外部***连接；减振框架内部设置有传感器单元，传感器单元包括传感器电路板、配重钢块和橡皮筋，配重钢块设置在减振框架内侧的中心位置，传感器电路板设置在配重钢块的侧面，传感器电路板上集成了传感器单元，橡皮筋连接在传感器单元和减振框架的顶角上，整个传感器单元处于减振框架内部中心位置。本发明模块本身是一个完整的飞控***，独特的减振方式、灵活的接口以及先进的控制算法，使其不仅具备商品飞控的性能，还具备开源飞控的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机飞行控制器模块，属于无人机设计及控制技术领域。
背景技术
无人机的飞行控制涉及到众多学科的专业技术知识，因此研发一款实用的无人机飞行控制器（以后简称飞控）并非易事。目前市面上主要存在两种类型的飞控，一是开源飞控，另一种就是商业化飞控。典型的开源飞控有APM、Pixhawk等。对于这些开源飞控，虽然可以自由更改，扩展性也很强，但其主要问题就是***庞大，不够稳定。由于开源飞控的目的在于让使用者自由开发，因此其侧重点在于试验开发而非精简稳定。而且无人机在飞行时存在极强的高频振动，这会严重影响飞控中惯性传感器的性能，甚至导致***失效。而开源飞控并没有明确对其惯性传感器进行减振处理，这也是其性能不够稳定的原因之一。相比开源飞控，商业化飞控则侧重于精简稳定。由于飞控技术的专业性和复杂性，目前市面上仅有少数几家公司开发出了商业化的无人机飞控，比如大疆创新和零度智控等。他们的飞控在减振处理和控制算法上均做得很不错，飞控性能稳定，操控也很方便。但这些飞控均存在一个普遍的问题，就是自成体系，难以更改，嵌入性和扩展性不强，而且成本都比较高。对于很多自主研发无人机的用户来说，虽然使用现有飞控可以大大缩短研发周期，但这些商品飞控均是独立***，接接口死板，无法直接嵌入到自己的***当中。即便使用这些商品飞控，即不能方便地开发自己需要的功能，还被贴上了飞控公司的标签，暴露自身技术实力的不足。
针对以上现状，该发明为用户提供一个功能全面、性能稳定、接口灵活、成本低廉、体积小巧的飞行控制器模块（简称FCM）。该FCM本身是一个完整的飞控***，独特的减振方式、灵活的接口以及先进的控制算法，使其不仅具备商品飞控的性能，还具备开源飞控的灵活性。小巧的体积使得用户可以像普通芯片一样直接嵌入到自己的无人机***当中，既可以极大的缩短用户开发无人机的周期，也能让用户摆脱飞控商标的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机飞行控制器模块，以便缩短用户的研发时间，降低用户的研发成本。以便更好地改善使用效果，方便根据需要安装使用。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种无人机飞行控制器模块，包括用于支撑整个传感器单元的减振框架，减振框架底部设置有主控制电路板，主控制电路板上集成了微控制器和相应的电子电路；主控制电路板四周设置有半孔引脚，用于和外部***连接；减振框架内部设置有传感器单元，传感器单元包括传感器电路板、配重钢块和橡皮筋，配重钢块设置在减振框架内侧的中心位置，传感器电路板设置在配重钢块的侧面，传感器电路板上集成了传感器单元，橡皮筋连接在传感器单元和减振框架的顶角上。橡皮筋沿着减振框架的8个顶角对称设置。整个传感器单元处于减振框架内部中心位置。
该***中，配重钢块，用于增大传感器单元的惯性质量，降低其共振频率；橡皮筋分别连接于传感器单元和减振框架的8个顶角上，完全对称，用于隔离振动；主控制电路板主要集成了微控制器和相应的电子电路等；半孔引脚，分布于模块的四周，用于和外部***进行连接。
该模块具体设计安装步骤如下：
（1）使用Altium Designer电路设计软件设计传感器电路板和主控制电路板，并加工制作出来，焊接上相应的电子元器件；
（2）使用Solidworks机械设计软件设计传感器单元的减振框架和配重钢块，采用3D打印或者线切割的方式加工制作成型；
（3）将传感器电路板和配重钢块黏合在一起，并用橡皮筋将其和减振框架连接起来；传感器单元和主控制电路板之间使用软排线连接，用于二者之间的通信；
（4）将传感器单元的减振框架和主控制电路板黏合起来，使二者成为一个整体；
（5）将程序导入模块的微控制器当中，最终完成整个飞行控制器模块的设计和制作。
本发明主要包含两大部分，即传感器单元和主控制器单元。传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和气压计，均集成在电路板上面。由于飞机飞行时候的高频振动会严重影响惯性传感器的性能，甚至导致惯性传感器无法正常使用，因此对传感器单元的减振至关重要。该发明采用独创的橡皮筋减振法，结构简单，成本低廉。具体实现方式是通过增大传感器本身的惯性质量，降低共振频率，并且使用橡皮筋将传感器和振动源隔离。即传感器电路板附上配重钢块，通过橡皮筋与减振支架相连。实验结果表明其减振效果非常显著，基本上能将高频振动完全滤出。主控制器单元包含一个微控制器和相应的电子电路，实现传感器数据的采集、处理和融合，以及运行先进的控制算法对无人机进行控制。其中涉及的算法有数字滤波器算法、姿态数据融合算法、位置数据融合算法、无人机姿态控制算法、无人机导航控制算法等。
该FCM还预留了丰富的外设接口（如UART、CAN总线接口），方便整个***的扩展。模块采用半孔作为引脚与外部***相连，因此能以表面贴片的形式进行焊接，具有极强的可嵌入性。使用时，用户只需连接相应的引脚，并配置相应的寄存器即可实现对无人机的飞行控制。
该发明的有益效果在于：本发明模块本身是一个完整的飞控***，独特的减振方式、灵活的接口以及先进的控制算法，使其不仅具备商品飞控的性能，还具备开源飞控的灵活性。小巧的体积使得用户可以像普通芯片一样直接嵌入到自己的无人机***当中，既可以极大的缩短用户开发无人机的周期，也能让用户摆脱飞控商标的影响。
附图说明
图1为本发明实施例中的总体结构示意图。
图2为本发明实施例中的内部传感器单元的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。
实施例
如图1、图2所示的无人机飞行控制器模块，包括用于支撑整个传感器单元的减振框架1，减振框架1底部设置有主控制电路板2，主控制电路板2上集成了微控制器和相应的电子电路；主控制电路板2四周设置有半孔引脚3，用于和外部***连接；减振框架1内部设置有传感器单元，传感器单元包括传感器电路板4、配重钢块5和橡皮筋6，配重钢块5设置在减振框架1内侧中心位置，传感器电路板4设置在配重钢块5的侧面位置，传感器电路板4上集成了传感器单元，橡皮筋6连接在传感器单元和减振框架1的顶角上。橡皮筋6沿着减振框架1的8个顶角对称设置。
该***中，配重钢块5，用于增大传感器单元的惯性质量，降低其共振频率；橡皮筋6分别连接于传感器单元和减振框架的8个顶角上，完全对称，用于隔离振动；主控制电路板2主要集成了微控制器和相应的电子电路等；半孔引脚3，分布于模块的四周，用于和外部***进行连接。
该模块具体设计安装步骤如下：
（1）使用Altium Designer电路设计软件设计传感器电路板4和主控制电路板2，并加工制作出来，焊接上相应的电子元器件；
（2）使用Solidworks机械设计软件设计传感器单元的减振框架1和配重钢块5，采用3D打印或者线切割的方式加工制作成型；
（3）将传感器电路板4和配重钢块5黏合在一起，并用橡皮筋6将其和减振框架1连接起来；传感器单元和主控制电路板2之间使用软排线连接，用于二者之间的通信；
（4）将传感器单元的减振框架1和主控制电路板4黏合起来，使二者成为一个整体；
（5）将程序导入模块的微控制器当中，最终完成整个飞行控制器模块的设计和制作。
以上所述是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。尤其对于本发明中的减振方式，同样视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种无人机飞行控制器模块，其特征在于：包括用于支撑整个传感器单元的减振框架，所述减振框架底部设置有主控制电路板，所述主控制电路板上集成了微控制器和相应的电子电路；所述主控制电路板四周设置有半孔引脚，用于和外部***连接；所述减振框架内部设置有传感器单元，所述传感器单元处于减振框架内部中心位置，包括传感器电路板、配重钢块和橡皮筋，所述配重钢块设置在减振框架内侧的中心位置，所述传感器电路板设置在配重钢块的侧面，传感器电路板上集成了传感器单元，所述橡皮筋连接在传感器单元和减振框架的顶角上。
2.根据权利要求1所述的无人机飞行控制器模块，其特征在于：所述橡皮筋沿着减振框架的8个顶角对称设置。
3.根据权利要求1所述的无人机飞行控制器模块，其特征在于：所述模块具体设计安装步骤如下：
（1）使用Altium Designer电路设计软件设计传感器电路板和主控制电路板，并加工制作出来，焊接上相应的电子元器件；
（2）使用Solidworks机械设计软件设计传感器单元的减振框架和配重钢块，采用3D打印或者线切割的方式加工制作成型；
（3）将传感器电路板和配重钢块黏合在一起，并用橡皮筋将其和减振框架连接起来；传感器单元和主控制电路板之间使用软排线连接，用于二者之间的通信；
（4）将传感器单元的减振框架和主控制电路板黏合起来，使二者成为一个整体；
（5）将程序导入模块的微控制器当中，最终完成整个飞行控制器模块的设计和制作。
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