CN105955286A - 一种双核多旋翼飞行控制器 - Google Patents
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Abstract
一种双核多旋翼飞行控制器***,包括处理飞控核心程序数据的第一MCU和处理GPS导航数据的第二MCU,第一和第二MCU设于飞行控制器芯片上;第一MCU包括第一任务调度模块、姿态数据模块、气压计处理模块、电机模式切换控制模块、第一通讯处理模块、LED显示模块、检测电机、电池以及通讯状态的第一检测模块以及调用第一MCU硬件接口程序的第一BSP,第二MCU包括第二任务调度模块、空间姿态数据模块、与第一MCU和GPS控制模块进行通讯的第二通讯模块、检测电池和GPS状态的第二检测模块以及调用第二MCU接口程序的第二BSP;本发明提出的双核多旋翼飞行控制器***,采用最较低配置的ARM MCU使飞行控制器拥有较高性价比。
Description
技术领域
本发明涉及飞行控制器领域,更具体地说,涉及一种双核多旋翼飞行控制器。
背景技术
多旋翼飞行器控制器是近年来发展起来的一个集空气动力学、自动控制技术、无线传输技术、图像、数据处理、软件技术为一体的高科技产品,已经运用在军事领域例如鱼鹰飞行器以及专业的航拍领域。
但市场数量最巨大的玩具级无人机,对产品价格、性能、功能较上述领域有更苛刻的要求,而同时对飞控的成本希望用业内最低的硬件配置来实现。
随着飞控算法(姿态解算、飞行控制、图像处理等)理论、功能成熟,用户群体的广泛认同后,产品的性价比及实现方式就成为了市场上的焦点,然而理论的飞控姿态解算是基于非线性模型的扩展Kalman滤波器,完整的解算需要超过200MHZ时钟且具有浮点运算能力的Cortex M4,进行20维左右的浮点矩阵运算,对于玩具无人机来说,性价比较低。
发明内容
针对现有目前现有的玩具级的飞行控制器性价比低的问题,提出一种双核多旋翼飞行控制器,具有很好的性价比,既可以处理飞控数据,又可以处理好GPS数据。
本发明上述技术问题这样解决,构造一种双核多旋翼飞行控制器,包括处理飞控核心程序数据的第一MCU(110)和处理GPS导航数据的第二MCU(120),所述第一MCU(110)和第二MCU(120)设于飞行控制器芯片(100)上;
所述第一MCU包括控制各个任务执行的第一任务调度模块(111)、姿态数据模块(1111)、读取气压值的气压计处理模块(1112)、控制电机各种控制模式切换的控制模块(1113)、处理通讯数据的第一通讯处理模块(1114)、LED显示模块(1115)、用于检测电机和电池以及通讯参数的第一检测模块(1116),以及调用硬件接口程序的第一BSP(board support packet的缩写);
所述第二MCU(120)包括控制第二MCU(120)任务切换的第二任务调度模块(122)、处理空间姿态数据的空间姿态数据模块(1221)、与第一MCU进行通讯的第二通讯模块(1222)、检测电池状态的第二检测模块(1223)以及调用GPS接口程序的第二BSP(121)。
所述第一任务调度模块通过对姿态数据模块、气压计处理模块、通讯模块、检测模块、LED显示模块以及控制模块的调用来势对多旋翼飞行器的控制;
所述姿态数据模块包括用于处理气压计和陀螺仪数据的IIC数据读取模块、IIC数据写入模块,读取和校准加速度的加速计校准数据读取模块、读取和校准角速度的角速度校准数据读取模块以及融合校准后的角速度、加速度、磁力计以及气压计高度值的数据融合模块,数据融合模块对IIC数据读取模块、IIC数据写入模块、加速计校准数据读取模块、角速度校准数据读取模块的数据进行融合后,得到基于飞行器和地球坐标系的六维数据,与遥控器传来的目标数据结合,对飞行器进行控制。
具体地,所述加速计校准数据读取模块首先根据存储的原始加速计值判断加速计值是否已经校准,若没有校准,则对加速计值校准后再存储。
同样地,所述角速度校准数据读取模块首先根据已经存储的角速度原始值判断角速度值是否已经校准,若没有校准,则对角速度值校准后再存储。
所述气压计处理模块包括温度、气压值读取模块以及对原始气压值进行校准、滤波的气压值处理模块,气压值处理模块首先根据存储的原始加速计值判断是地面初始值,若不是地面初始值,则对气压值值校准,然后对气压计进行滤波再存储。
所述第一检测模块包括检测电池的电压状况的电池检测模块、检测电机的电压是否高于阈值的电机堵车检测模块以及检测通讯是否中断的2.4G检测模 块。
所述第一MCU第一通讯模块的通讯任务主要有两路,一路是所述第一通讯模块通过所述第一BSP的第一Uart接口程序与摄像头控制模块进行数据通讯;另一路是所述第一通讯模块通过所述第一BSP的第一SPI接口程序接收遥控器数据、发送陀螺仪数据以及发送调试数据等。
所述第一BSP包括处理气压计和陀螺仪数据的IIC接口程序、对电机进行控制的PWN接口程序、处理与GPS通讯数据的第一SPI接口程序、驱动照相机摄像头的Uart接口程序、驱动LED显示的GPIO接口程序以及检测第一MCU电池状态的第一ADC接口程序,所述LED显示包括GPS指示灯显示、2.4G指示灯显示以及底电能报警指示灯显示;
所述第二MCU包括控制第二MCU任务切换的第二任务调度模块、处理空间姿态数据的空间姿态数据模块、与第一MCU进行通讯的第二通讯模块、检测电池状态的第二检测模块以及调用GPS接口程序的第二BSP。
所述第二BSP包括检测电池状态的第二ADC接口程序、处理与第一MCU和其他通讯数据的第二SPI接口程序以及Uart接口程序;
所述第二任务调度模块通过调度第二通讯模块、第二检测模块以及空间姿态数据模块来实现对飞控板的GPS数据处理。
所述空间姿态数据模块通过第二BSP的第二Uart接口程序和第二SPI接口程序处理GPS陀螺仪数据融合任务、控制器PID任务以及输出目标姿态角任务,并通过第二SPI接口程序与第一MCU进行通讯。
所述第二MCU120第二通讯模块的通讯任务主要有两路,一路是所述第二通讯模块通过所述第二BSP的第二Uart接口程序与GPS控制模块进行数据通讯;另一路是所述第二通讯模块通过所述第二BSP的第二SPI接口程序以及2.4G通信协议与第一MCU110进行通讯,例如2.4G数据的发送接收、GPS数据的发送等。
实施本发明提出的双核多旋翼飞行控制器,可以采用最低配置的ARMMCU,成功地实现将单一处理器用两个低端的处理器替代,按功能平衡分配传感性数据读取、数据拟合,第一MCU、第二MCU均采用定点运算,简化 的数学计算单元缩减程序空间,减少处理时间,不依赖国外主流供应商,使飞行控制器拥有较高性价比。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是现有技术中飞控MCU工作流程示意图
图2是本发明实施例中双MCU工作流程示意图
图3是本发明实施例中飞行控制器功能示意图
图4是本发明实施例中的姿态数据模块的组成示意图
图5是本发明实施例中的气压值处理模块的组成示意图
图6是本发明实施例中电机控制模式之间切换示意图
图7是本发明实施例中第一MCU第一通讯模块的功能示意图
图8是本发明实施例中第一检测模块的组成示意图
图9是本发明实施例中第二MCU空间姿态数据模块处理任务示意图
图10是本发明实施例中第二MCU第二通讯模块的功能示意图
具体实施方式
图1是现有技术中飞控MCU工作流程示意图,图2是本实施例中双MCU工作流程示意图,请参考图1-图2,现有技术中采用Cortex M4或高性能MCU统一读取各类传感器数据,然后进行数据拟合、角度控制、角速度控制后,最后控制马达控制,从而控制飞机。Cortex M4或高性能MCU内有高达180K byte,Flash Rom超过1M byte,因此此类飞控可以完全采用浮点计算,采取扩展卡尔曼等算法进行数据融合。但是,此类高性能MCU的供应商主要来自欧美,影响四旋翼飞机在低端市场的应用,本实施例中,将单一MCU用2个低端的MCU替代,按功能平衡分配传感性数据读取、数据拟合,功能图如图2:第二MCU读取GPS、气压计数据,同时与第一MCU采用硬件通讲接口,共享各类姿态数据,在此之上独立进行高度,、X、Y方向的数据拟合,高度、X、Y控制,然后将这些控制数据传到数据第一MCU,第一MCU整合地磁、重 力回速度、角速度数据,进行独立数据拟合后,结合来自第二MCU的控制数据,进行角度、角速度、马达控制,从而实现与单一MCU类似的功能。第一MCU、第二MCU均采用定点运算,简化的数学计算单元缩减程序空间,减少处理时间。
图3是本实施例中的飞行控制器芯片100功能示意图,请参考图3,飞行控制器100有两个最低配置的MCU组成,分别是第一MCU110和第二MCU120,MCU110和第二MCU120固化在飞行控制器芯片100上。两个MCU之间通过BSP(112,121)的接口程序SPI(123,212)进行通讯,共享数据,第一MCU110主要处理定高、定点数据,第二MCU主要处理导航数据,两个最低配置的MCU能够集成地磁、GPS、气压计,完全实现定高、定点、导航及Follow Me功能,大大提高了玩具级多旋翼飞行器的性价比。
第一MCU110包括控制各个任务执行的第一任务调度模块111、姿态数据模块1111,读取气压值的气压值处理模块1112,控制电机各种控制模式切换的控制模块1113,处理通讯数据的第一通讯处理模块1114,LED显示模块1115,检测电机、电池以及通讯参数的第一检测模块1116以及调用硬件接口的第一BSP(board support packet,板级支持包)112;第一任务调度模块111,根据飞行指令的要求调用姿态数据模块1111、气压值处理模块1112、控制模块1113、第一通讯处理模块1114、第一检测模块1116和第一BSP(board support packet)112以及控制这些模块任务的执行进度;姿态数据模块1111主要采集陀螺仪101的数据通过第一BSP112的接口程序IIC121发送给第一MCU110,气压值处理模块1112读取气压计102的数据并进行校准通过第一BSP112的接口程序IIC121发送给第一MCU110进行处理,控制模块1113对控制电机的地面停机模式1113a、校准控制模式1113b、起飞控制模式1113c、高度控制模式1113d、定点控制模式1113e、油门控制模式1113f、自动降落模式1113g、自动巡航模式1113h以及翻滚控制模式1113i之间的切换;第一通讯模块1114通过第一BSP的接口程序SPI123和Uart124实现第一MCU与遥控设备、调试数据、陀螺仪101数据、第二MCU以及摄像头设备104的数据传输;第一检测模块1116主要对飞控电池108、2.4G通信信号106以及底电报警灯105 的状态进行检测;第一BSP112是介于硬件和第一MCU驱动层程序之间的一层,主要是实现对第一MCU的支持,为第一MCU各种模块的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包,模块的程序更好地运行在芯片100上。
图4是本实施例中的姿态数据模块1111的组成示意图,请参考图4,姿态数据模块1111包括用于处理气压计和陀螺仪数据的IIC数据读取模块1111a、IIC数据写入模块1111b,读取和校准加速度的加速计校准数据读取模块1111c、读取和校准角速度的角速度校准数据读取模块1111d以及融合校准后的角速度、加速度、磁力计以及气压计高度值的数据融合模块1111e,数据融合模块1111e对IIC数据读取模块1111a、IIC数据写入模块1111b、加速计校准数据读取模块1111c、角速度校准数据读取模块1111d的数据进行融合后,得到基于飞行器和地球坐标系的六维数据,与遥控器传来的目标数据结合,对飞行器进行控制。
进一步地,加速计校准数据读取模块1111a首先根据存储的原始加速计值判断加速计值是否已经校准,若没有校准,则对加速计值校准后再存储。
进一步地,角速度校准数据读取模块1111b首先根据已经存储的角速度原始值判断角速度值是否已经校准,若没有校准,则对角速度值校准后再存储。
进一步地,数据融合模块1111e对加速计校准数据读取模块1111a、角速度校准数据读取模块1111b、角速度、加速度、磁力计以及气压计102高度值的数据进行融合。
图5是本实施例中的气压值处理模块1113的组成示意图,请参考图5,气压计处理模块1112包括温度、气压值读取模块1112a以及对原始气压值进行校准、滤波的气压值处理模块1112b,气压值处理模块首先根据存储的原始加速计值判断是地面初始值,若不是地面初始值,则对气压值值校准,然后对气压计进行滤波再存储。
图6是本实施例中电机控制模式之间切换示意图,请参考图6,控制模块1113主要是控制电机运行模式停机控制模式1113a、校准控制模式1113b、起飞控制模式1113c、定高控制模式1113d、定点控制模式1113e、油门控制模式1113f之间可以互相切换、自动降落模式1113g、自动巡航模式1113h以及翻滚 控制模式1113i之间的切换。双向切换模式有:停机控制模式1113a与校准控制模式1113b以及油门控制模式1113f之间可以互相切换,定高控制模式1113d与定点控制模式1113e、翻滚控制模式1113i以及自动巡航模式1113h之间互相切换,定点控制模式1113e与所述自动降落模式1113g之间互相切换;单向切换模式有:由停机控制模式1113a切换到所述起飞控制模式1113c,起飞控制模式1113c切换到所述定高控制模式1113d,定高控制模式1113d切换到自动降落模式1113g。
图7是第一MCU第一通讯模块1114的功能示意图,请参考图7,第一MCU第一通讯模块1114的通讯任务主要有两路,一路是第一通讯模块1114通过第一BSP112的第一Uart接口程序1124与摄像头控制模块104进行数据通讯;另一路是第一通讯模块1114通过第一BSP112的第一SPI接口程序1123接收遥控器数据、发送陀螺仪数据以及发送调试数据等。
图8是本实施例中第一检测模块1116的组成示意图,请参考图8,第一检测模块1116包括电池检测模块1116a、电机堵车检测模块1116b以及2.4G检测模块1116c,电池检测模块1116a检测电池的电压状况,电机堵车检测模块1116b检测电机的电压是否高于阈值,2.4G检测模块1116c检测通讯是否中断。
第一BSP112包括处理气压计102和陀螺仪101数据的IIC接口程序1121、对电机进行控制的PWN接口程序1122、处理与GPS通讯数据的第一SPI接口程序1123、驱动照相机摄像头的Uart接口程序1124、驱动LED显示的GPIO接口程序1125以及检测第一MCU电池状态的第一ADC接口程序1126,LED显示包括GPS指示灯显示107、2.4G指示灯显示108以及底电能报警指示灯显示105。
第二MCU120包括控制第二MCU120任务切换的第二任务调度模块122、处理空间姿态数据的空间姿态数据模块1221、与第一MCU进行通讯的第二通讯模块1222、检测电池状态的第二检测模块1223以及调用GPS接口程序的第二BSP121。
第二BSP包括检测电池状态的第二ADC接口程序1211、处理与第一MCU 和其他通讯数据的第二SPI接口程序1212以及Uart接口程序1213。
第二任务调度模块122通过调用第二通讯模块1223实现第二MCU的通讯任务、通过调用第二检测模块1222来实现对电池和GPS状态的检测任务,通过调用空间姿态数据模块1221来实现对空间姿态数据的处理任务。
图9是第二MCU120空间姿态数据模块1221处理任务示意图,请参考图7,空间姿态数据模块1221通过第二BSP121的第二Uart接口程序1213和第二SPI接口程序1212处理GPS陀螺仪数据融合任务1221a、控制器PID任务1221b以及输出目标姿态角任务1221c,并通过第二SPI接口程序1212与第一MCU进行通讯。
图10是第二MCU120第二通讯模块1223的功能示意图,请参考图10,第二MCU120第二通讯模块1223的通讯任务主要有两路,一路是第二通讯模块1223通过第二BSP121的第二Uart接口程序1213与GPS控制模块107a进行数据通讯;另一路是第二通讯模块1221通过第二BSP121的第二SPI接口程序1212以及2.4G通信协议与第一MCU110进行通讯,例如2.4G数据的发送接收、GPS数据的发送等。
虽然以上描述了本发明的各种实施例,应当理解,其目的仅在于举例说明本发明,而不是对本发明的限制。本领域的技术人员知悉,在不离开本发明的精神和范围情况下,在形式上和细节上还可做各种的改变。因此,本发明的保护范围不当仅局限于以上描述的实施例,而应该依照权利要求及其等同来限定。
Claims (10)
1.一种双核多旋翼飞行控制器,其特征在于,包括处理飞控核心程序数据的第一MCU(110)和处理GPS导航数据的第二MCU(120),所述第一MCU(110)和第二MCU(120)设于飞行控制器芯片(100)上;
所述第一MCU包括控制各个任务执行的第一任务调度模块(111)、姿态数据模块(1111)、读取气压值的气压计处理模块(1112)、控制电机各种控制模式切换的控制模块(1113)、处理通讯数据的第一通讯处理模块(1114)、LED显示模块(1115)、用于检测电机和电池以及通讯参数的第一检测模块(1116),以及调用硬件接口程序的第一BSP(112);
所述第二MCU(120)包括控制第二MCU(120)任务切换的第二任务调度模块(122)、处理空间姿态数据的空间姿态数据模块(1221)、与第一MCU进行通讯的第二通讯模块(1222)、检测电池状态的第二检测模块(1223)以及调用GPS接口程序的第二BSP(121)。
2.根据权利要求1所述一种双核多旋翼飞行控制器,其特征在于,所述第一MCU(110)和第二MCU(120)固化在同一个飞行控制器芯片(100)上。
3.根据权利要求2所述双核多旋翼飞行控制器,其特征在于,所述姿态数据模块(1111)包括用于处理气压计(102)和陀螺仪(101)数据的IIC数据读取模块(1111a)、IIC数据写入模块(1111b),读取和校准加速度的加速计校准数据读取模块(1111c)、读取和校准角速度的角速度校准数据读取模块(1111d)以及融合校准后的角速度、加速度以及气压计高度值的数据融合模块(1111e),数据融合模块(1111e)对IIC数据读取模块(1111a)、IIC数据写入模块(1111b)、加速计校准数据读取模块(1111c)、角速度校准数据读取模块(1111d)的数据进行融合后,得到基于飞行器和地球坐标系的六维数据,与遥控器传来的目标数据结合,对飞行器进行控制。
4.根据权利要求2所述双核多旋翼飞行控制器,其特征在于,所述加速计校准数据读取模块(1111c)根据存储的原始加速计值对读取的加速计值校准后再存储;所述角速度校准数据读取模块(1111d)根据存储的角速度原始值判断读取的角速度值对角速度值校准后再存储。
5.根据权利要求2所述双核多旋翼飞行控制器,其特征在于,所述气压计处理模块(1112)包括温度、气压值读取模块(1112a)以及对原始气压值进行校准、滤波的气压值处理模块(1112b),气压值处理模块(1112b)根据存储的原始加速计值对读取的气压值值校准后,再对气压计进行滤波存储。
6.根据权利要求2所述双核多旋翼飞行控制器,其特征在于,所述第一检测模块(1116)包括检测电池的电压状况的电池检测模块(1116a)、检测电机的电压是否高于阈值的电机堵车检测模块(1116b)以及检测通讯是否中断的2.4G检测模块(1116c)。
7.根据权利要求2所述双核多旋翼飞行控制器,其特征在于,所述第一BSP(112)包括处理气压计(102)和陀螺仪(101)数据的IIC接口程序(1121)、对电机进行控制的PWN接口程序(1122)、处理与GPS通讯数据的第一SPI接口程序(1123)、驱动照相机摄像头(104)的Uart接口程序(1124)、驱动LED显示模块(1115)的GPIO接口程序(1125)以及检测第一MCU(110)电池状态的第一ADC接口程序(1126),所述LED显示包括GPS指示灯显示(107)、2.4G指示灯显示(106)以及底电能报警指示灯显示(105)。
8.根据权利要求2所述双核多旋翼飞行控制器,其特征在于,所述第二BSP(121)包括检测电池状态的第二ADC接口程序(1211)、处理与第一MCU和其他通讯数据的第二SPI接口程序(1212)以及第二Uart接口程序(1213)。
9.根据权利要求2所述双核多旋翼飞行控制器,其特征在于,所述第二任务调度模块(122)通过调度所述第二通讯模块(1222)、第二检测模块(1223)以及所述空间姿态数据模块(1221)来实现对飞行控制器的空间导航GPS数据处理。
10.根据权利要求2所述双核多旋翼飞行控制器,其特征在于,所述飞行控制器芯片(100)通过2.4G协议进行无线数据传输,所述第一通讯模块(1114)通过第一Uart接口程序(1124)与摄像头(104)进行通讯,通过第一SPI接口程序(1123)处理陀螺仪数据、遥控器数据以及调试数据的传输任务;所述第二通讯模块(1223)所述第二BSP(121)的第二Uart接口程序(1213)与GPS控制模块(107a)进行数据通讯,通过所述第二BSP(121)的第二SPI接口程序(1212)以及2.4G通信协议处理第一MCU110 2.4G数据、GPS数据的数据传输任务。
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