CN115202271A - 一种微小型无人机嵌入式飞行控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小型无人机嵌入式飞行控制器，适用于电动型固定翼及多旋翼无人机。控制器尺寸紧凑，布局合理，适合于安装在微小型无人机上。本发明满足微小型无人机的飞行控制需求，板载的运动传感器、可以实时测量微小型无人机的飞行状态，所用FRAM存储芯片可以存储控制参数，ARM芯片中的嵌入式飞行控制软件具备飞行任务管理、控制模式切换、飞行姿态调节、飞行位置控制等功能。综上，本发明所提出的微小型无人机嵌入式飞行控制器具有尺寸小、重量轻、便于安装、信息处理速度快、易拓展等特点，完全能够满足微小型无人机在不同工作场景下的控制需求。

Description

一种微小型无人机嵌入式飞行控制器

技术领域

本发明属于飞行控制领域，尤其涉及一种电动型固定翼及多旋翼的微小型无人机嵌入式飞行控制器。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，可以利用无线电遥控设备和自备程序控制装置进行操控，或者完全由机载计算机自主操控。与载人机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、反应迅速，对任务环境要求低等优点。鉴于其独特优势，无人机已经在多个领域大放异彩。在军用领域，可用于侦察、监视、通信中继等；在科研领域，可用于大气研究、靶机试验等；在民用领域，可用于航拍、农业、植保等。无人机的结构多种多样，执行的任务也不尽相同，但是其完成飞行的根本是飞行控制器，其保证了无人机能够作出不同的飞行姿态以及沿着规划航迹平稳飞行。随着应用的需要和硬件设备的发展，近年来世界范围内对飞行控制器的研究逐渐深入。

飞行控制器是微小型无人机实现飞行的核心，用于实现微小型无人机在整个飞行过程中的飞行控制。在面对复杂的飞行情况时，飞行控制器必须能迅速并准确地获取周围环境信息和飞行状态信息，并运行控制算法输出控制信号至执行机构完成飞行控制指令，这对飞行控制器是很大的考验。

针对现有飞行控制器体积大、运行速度慢、功能难以拓展的特点，要求飞行控制器尽可能采用轻量化、易拓展、嵌入式设计。由于需要快速获取和处理环境信息、飞行状态信息，因此如何设计出满足飞行控制性能要求、体积小、易拓展的微小型无人机嵌入式飞行控制器成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有飞行控制器体积大、运行速度慢、功能难以拓展等特点，提供一种微小型无人机嵌入式飞行控制器。该控制器将九轴运动传感器、气压传感器、ARM芯片进行软硬件集成，依靠九轴运动传感器实现三轴角速度、三轴加速度的测量，依靠气压传感器实现气压测量并通过计算获取高度信息，同时使用ARM芯片运行控制算法、导航算法实现测量信息处理并反馈至输出端控制执行机构，完成微小型无人机的飞行控制。该控制器提供种类齐全的接口包括SPI接口、UART串口、I²C接口等，可满足无人机的拓展需求。嵌入式微小型无人机飞行控制器既能用于小型固定翼无人机，也能应用于小型多旋翼无人机，具有很好的适应性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种微小型无人机嵌入式飞行控制器，该控制器包括ARM芯片、九轴运动传感器、气压传感器、A/D转换芯片、FRAM存储芯片、稳压芯片、外扩模块以及多功能综合模块；

所述ARM芯片是飞行控制器的核心器件，用于实现飞行任务管理、飞行控制以及导航计算并反馈至输出端控制执行机构；

所述九轴运动传感器，用于测量微小型无人机的三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场强度，并输出姿态角数据传输至ARM芯片；

所述气压传感器，用于实现高分辨率气压测量，测量的气压用于计算微小型无人机所在高度，并将数据传输至ARM芯片；

所述A/D转换芯片，用于将九轴运动传感器、气压传感器测量的模拟信号转换为数字信号并传输至ARM芯片；

所述FRAM存储芯片，用于存储九轴运动传感器和气压传感器的标定参数，以及预设的飞行控制指令、导航指令、规划航迹信息，并与ARM芯片相交互；

所述稳压芯片，用于为ARM芯片、九轴运动传感器、气压传感器、FRAM存储芯片供电；

所述外扩模块，用于实现飞行控制器的外部功能拓展；

所述多功能综合模块，用于实现微小型无人机的遥控、更新。

进一步地，所述外扩模块包括连接外部IMU传感器的SPI接口插座、连接GPS模块的UART接口插座、连接数传电台的UART接口插座、2个用于功能拓展的UART接口插座、连接外部磁罗盘的I²C接口插座、空速计接口插座、用于功能拓展的SPI接口插座；所述连接外部IMU传感器的SPI接口插座外接IMU传感器用于提供三轴角速度，三轴加速度测量信息；所述连接GPS模块的UART接口插座外接GPS模块用于提供经纬度、高度信息；所述连接数传电台的UART接口插座外接数传电台连接地面控制终端与微小型无人机，地面控制终端用于获取微小型无人机飞行状态信息，并对微小型无人机进行飞行任务分配和航迹规划；所述用于功能拓展的UART接口插座提供额外UART接口；所述连接外部磁罗盘的I²C接口插座外接磁罗盘用于提供磁场信息；所述空速计接口插座外接模拟空速计提供空速信息；所述用于功能拓展的SPI接口插座提供额外SPI接口。

进一步地，所述多功能综合模块包括遥控器PPM信号连接排针、电源连接插座和Micro USB接口；

所述遥控器PPM信号连接排针连接遥控信号接收器，遥控信号接受器将收到的遥控信号转化为PPM信号输入至ARM芯片；

所述电源连接插座连接外部电源，对整个飞行控制器进行供电，并连接专用的电源检测模块实现电流电压检测功能；

所述Micro USB接口，用于提供进行设备维护和调试的接口，还用于实现飞行控制器***固件的更新。

进一步地，所述多功能综合模块还包括舵机PWM信号连接排针，用于传输ARM芯片输出至舵机的PWM信号，驱动舵机偏转。

进一步地，所述多功能综合模块还包括外部LED连接排针，外接蓝色、红色、绿色三种颜色的LED显示模块，用于微型无人机夜间飞行展示灯光。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明集传感器、处理器、接口为一体，采用小型化设计，具有体积小、重量轻、易拓展等优点，非常适合于载重能力弱、体积小的微小型无人机使用。

(2)对于需要功能拓展的无人机，提供额外接口，在满足无人机载重要求时连接额外设备包括：拓展IMU、GPS模块、数传电台、空速计、磁罗盘，以此获取三轴加速度、三轴角速度、空速信息、位置信息、磁场信息，实现数据通信等。

(3)本发明采用9轴运动传感器、气压传感器、等板载传感器测量角速度、加速度、磁场强度、气压等信息，如外接拓展IMU、GPS模块、空速计、磁罗盘等设备可额外测量角速度、加速度、位置、空速、磁场强度等信息，通过多种信息融合来保证信息获取的精度进一步实现微小型无人机的精准控制。

(4)本发明提供的连接数传电台的UART接口插座可外接数传电台，实现无人机与地面控制终端信息交互，操作人员可以实时获取无人机当前飞行状态信息，并按照任务要求遥控微小型无人机完成指定飞行指令。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为微小型无人机嵌入式飞行控制板正面三维结构图。

图2为微小型无人机嵌入式飞行控制器三维结构图。

图3为微小型无人机嵌入式飞行控制器组成框图。

其中，附图标记所对应的名称：

1-ARM芯片，2-九轴运动传感器，3-气压传感器，4-A/D转换芯片，5-FRAM存储芯片，6-稳压芯片，7-连接外部IMU传感器的SPI接口插座，8-连接GPS模块的UART接口插座，9-连接数传电台的UART接口插座，10-用于功能拓展的UART接口插座，11-连接外部磁罗盘的I²C接口插座，12-空速计接口插座，13-遥控器PPM信号连接排针，14-舵机PWM信号连接排针，15-外部LED连接排针，16-电源连接插座，17-Micro USB接口，18-用于功能拓展的SPI接口插座。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在一个实施例中，结合图1至图3，提供了一种微小型无人机嵌入式飞行控制器，该控制器包括ARM芯片1、九轴运动传感器2、气压传感器3、A/D转换芯片4、FRAM存储芯片5、稳压芯片6、外扩模块以及多功能综合模块；

所述ARM芯片1是飞行控制器的核心器件，用于实现飞行任务管理、飞行控制以及导航计算并反馈至输出端控制执行机构；

所述九轴运动传感器2，用于测量微小型无人机的三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场强度，并输出姿态角数据传输至ARM芯片1；

所述气压传感器3，用于实现高分辨率气压测量，测量的气压用于计算微小型无人机所在高度，并将数据传输至ARM芯片1；

所述A/D转换芯片4，用于将九轴运动传感器2、气压传感器3测量的模拟信号转换为数字信号并传输至ARM芯片1；

所述FRAM存储芯片5，用于存储九轴运动传感器2和气压传感器3的标定参数，以及预设的飞行控制指令、导航指令、规划航迹信息，并与ARM芯片1相交互；

所述稳压芯片6，用于为ARM芯片1、九轴运动传感器2、气压传感器3、FRAM存储芯片5供电；

所述外扩模块，用于实现飞行控制器的外部功能拓展；

所述多功能综合模块，用于实现微小型无人机的遥控、更新。

这里优选地，ARM芯片1为STM32F4X9具备Cortex-M4内核，可以通过异步串行通信接口UART和同步串行接口SPI读取各传感器数据，通过插座连接外部设备交互信息。

这里优选地，九轴运动传感器2为BNO055，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计，能够测量三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场强度，并能通过内部的Kalman滤波算法解算姿态角。

这里优选地，气压传感器3为MS5611，能实现高分辨率的气压测量，分辨率可达到10cm。其测量数据通过计算得到高度信息，可配合GPS模块获取更精准的高度信息。

这里优选地，FRAM存储芯片5选型为FM25V10，采用并行数据接口SPI连接ARM芯片1，最大存储容量1M位，用于存储九轴运动传感器2和气压传感器3的标定参数，以及预设的飞行控制指令、导航指令、规划航迹等信息。

这里优选地，稳压芯片6的直流电压输入范围为4.5V～16V，输出电压固定为3.3V，输出精度1％。稳压芯片6为TPS7A4533，将+5V的输入电压转换为+3.3V的输出电压，为ARM芯片1、九轴运动传感器2、气压传感器3、A/D转换芯片4、FRAM存储芯片5供电。

进一步地，在其中一个实施例中，所述ARM芯片1通过异步通信串口UART连接九轴运动传感器2，通过同步串行接口SPI连接气压传感器3，通过另一路同步串行接口SPI连接FRAM存储芯片5；ARM芯片1通过UART串口发送配置命令来确定九轴运动传感器2的工作模式，九轴运动传感器2按照收到的命令通过UART串口向ARM芯片1传输测量数据。

进一步地，在其中一个实施例中，所述外扩模块包括连接外部IMU传感器的SPI接口插座7、连接GPS模块的UART接口插座8、连接数传电台的UART接口插座9、2个用于功能拓展的UART接口插座10、连接外部磁罗盘的I²C接口插座11、空速计接口插座12、用于功能拓展的SPI接口插座18；所述连接外部IMU传感器的SPI接口插座7外接IMU传感器用于提供三轴角速度，三轴加速度测量信息；所述连接GPS模块的UART接口插座8外接GPS模块用于提供经纬度、高度信息；所述连接数传电台的UART接口插座9外接数传电台连接地面控制终端与微小型无人机，地面控制终端用于获取微小型无人机飞行状态信息，并对微小型无人机进行飞行任务分配和航迹规划；所述用于功能拓展的UART接口插座10提供额外UART接口；所述连接外部磁罗盘的I²C接口插座11外接磁罗盘用于提供磁场信息；所述空速计接口插座12外接模拟空速计提供空速信息；所述用于功能拓展的SPI接口插座18提供额外SPI接口。

这里优选地，连接外部IMU传感器的SPI接口插座7、用于功能拓展的SPI接口插座18均采用DF13-8P-1.25DSA规格的贴片插座；电源连接插座7采用DF13-6P-1.25DSA规格的贴片插座；连接GPS模块的UART接口插座8、连接数传电台的UART接口插座9、用于功能拓展的UART接口插座10采用DF13-5P-1.25DSA规格的贴片插座；连接外部磁罗盘的I²C接口插座11采用DF13-4P-1.25DSA规格的贴片插座；空速计接口插座12采用DF13-3P-1.25DSA规格的贴片插座。

进一步地，在其中一个实施例中，所述多功能综合模块包括遥控器PPM信号连接排针13、电源连接插座16和Micro USB接口17；

所述遥控器PPM信号连接排针13连接遥控信号接收器，遥控信号接受器将收到的遥控信号转化为PPM信号输入至ARM芯片1；

所述电源连接插座16连接外部电源，对整个飞行控制器进行供电，并连接专用的电源检测模块实现电流电压检测功能；

所述Micro USB接口17，用于提供进行设备维护和调试的接口，还用于实现飞行控制器***固件的更新。

进一步地，在其中一个实施例中，所述多功能综合模块还包括舵机PWM信号连接排针14，用于传输ARM芯片1输出至舵机的PWM信号，驱动舵机偏转。

进一步地，在其中一个实施例中，所述多功能综合模块还包括外部LED连接排针15，外接蓝色、红色、绿色三种颜色的LED显示模块，用于微型无人机夜间飞行展示灯光。

这里优选地，结合图2，所述ARM芯片1、九轴运动传感器2、气压传感器3、A/D转换芯片4、FRAM存储芯片5、稳压芯片6、连接外部IMU传感器的SPI接口插座7、连接GPS模块的UART接口插座8、连接数传电台的UART接口插座9、2个用于功能拓展的UART接口插座10、连接外部磁罗盘的I²C接口插座11、空速计接口插座12、遥控器PPM信号连接排针13、舵机PWM信号连接排针14、外部LED连接排针15、电源连接插座16、Micro USB接口17、用于功能拓展的SPI接口插座18均贴焊在飞行控制板的正面，所述USB接口17设置在飞行控制板的侧面。

所述控制板四个角设有四个圆形孔，通过螺钉固定于外壳中，外壳四角预留四个螺钉孔位用于将飞行控制器安装在无人机上。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种微小型无人机嵌入式飞行控制器，其特征在于，该控制器包括ARM芯片(1)、九轴运动传感器(2)、气压传感器(3)、A/D转换芯片(4)、FRAM存储芯片(5)、稳压芯片(6)、外扩模块以及多功能综合模块；

所述ARM芯片(1)是飞行控制器的核心器件，用于实现飞行任务管理、飞行控制以及导航计算并反馈至输出端控制执行机构；

所述九轴运动传感器(2)，用于测量微小型无人机的三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场强度，并输出姿态角数据传输至ARM芯片(1)；

所述气压传感器(3)，用于实现高分辨率气压测量，测量的气压用于计算微小型无人机所在高度，并将数据传输至ARM芯片(1)；

所述A/D转换芯片(4)，用于将九轴运动传感器(2)、气压传感器(3)测量的模拟信号转换为数字信号并传输至ARM芯片(1)；

所述FRAM存储芯片(5)，用于存储九轴运动传感器(2)和气压传感器(3)的标定参数，以及预设的飞行控制指令、导航指令、规划航迹信息，并与ARM芯片(1)相交互；

所述稳压芯片(6)，用于为ARM芯片(1)、九轴运动传感器(2)、气压传感器(3)、FRAM存储芯片(5)供电；

所述外扩模块，用于实现飞行控制器的外部功能拓展；

所述多功能综合模块，用于实现微小型无人机的遥控、更新。

2.根据权利要求1所述的微小型无人机嵌入式飞行控制器，其特征在于，所述ARM芯片(1)通过异步通信串口UART连接九轴运动传感器(2)，通过同步串行接口SPI连接气压传感器(3)，通过另一路同步串行接口SPI连接FRAM存储芯片(5)；ARM芯片(1)通过UART串口发送配置命令来确定九轴运动传感器(2)的工作模式，九轴运动传感器(2)按照收到的命令通过UART串口向ARM芯片(1)传输测量数据。

3.根据权利要求1所述的微小型无人机嵌入式飞行控制器，其特征在于，所述九轴运动传感器(2)包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计，分别用于测量微小型无人机的三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场强度。

4.根据权利要求1所述的微小型无人机嵌入式飞行控制器，其特征在于，所述稳压芯片(6)的直流电压输入范围为4.5V～16V，输出电压固定为3.3V，输出精度1％。

5.根据权利要求1所述的微小型无人机嵌入式飞行控制器，其特征在于，所述外扩模块包括连接外部IMU传感器的SPI接口插座(7)、连接GPS模块的UART接口插座(8)、连接数传电台的UART接口插座(9)、2个用于功能拓展的UART接口插座(10)、连接外部磁罗盘的I²C接口插座(11)、空速计接口插座(12)、用于功能拓展的SPI接口插座(18)；所述连接外部IMU传感器的SPI接口插座(7)外接IMU传感器用于提供三轴角速度，三轴加速度测量信息；所述连接GPS模块的UART接口插座(8)外接GPS模块用于提供经纬度、高度信息；所述连接数传电台的UART接口插座(9)外接数传电台连接地面控制终端与微小型无人机，地面控制终端用于获取微小型无人机飞行状态信息，并对微小型无人机进行飞行任务分配和航迹规划；所述用于功能拓展的UART接口插座(10)提供额外UART接口；所述连接外部磁罗盘的I²C接口插座(11)外接磁罗盘用于提供磁场信息；所述空速计接口插座(12)外接模拟空速计提供空速信息；所述用于功能拓展的SPI接口插座(18)提供额外SPI接口。

6.根据权利要求1所述的微小型无人机嵌入式飞行控制器，其特征在于，所述多功能综合模块包括遥控器PPM信号连接排针(13)、电源连接插座(16)和Micro USB接口(17)；

所述遥控器PPM信号连接排针(13)连接遥控信号接收器，遥控信号接受器将收到的遥控信号转化为PPM信号输入至ARM芯片(1)；

所述电源连接插座(16)连接外部电源，对整个飞行控制器进行供电，并连接专用的电源检测模块实现电流电压检测功能；

所述Micro USB接口(17)，用于提供进行设备维护和调试的接口，还用于实现飞行控制器***固件的更新。

7.根据权利要求6所述的微小型无人机嵌入式飞行控制器，其特征在于，所述多功能综合模块还包括舵机PWM信号连接排针(14)，用于传输ARM芯片(1)输出至舵机的PWM信号，驱动舵机偏转。

8.根据权利要求7所述的微小型无人机嵌入式飞行控制器，其特征在于，所述多功能综合模块还包括外部LED连接排针(15)，外接蓝色、红色、绿色三种颜色的LED显示模块，用于微型无人机夜间飞行展示灯光。

9.根据权利要求8所述的微小型无人机嵌入式飞行控制器，其特征在于，所述ARM芯片(1)、九轴运动传感器(2)、气压传感器(3)、A/D转换芯片(4)、FRAM存储芯片(5)、稳压芯片(6)、连接外部IMU传感器的SPI接口插座(7)、连接GPS模块的UART接口插座(8)、连接数传电台的UART接口插座(9)、2个用于功能拓展的UART接口插座(10)、连接外部磁罗盘的I²C接口插座(11)、空速计接口插座(12)、遥控器PPM信号连接排针(13)、舵机PWM信号连接排针(14)、外部LED连接排针(15)、电源连接插座(16)、Micro USB接口(17)、用于功能拓展的SPI接口插座(18)均贴焊在飞行控制板的正面，所述USB接口(17)设置在飞行控制板的侧面。

10.根据权利要求1所述的微小型无人机嵌入式飞行控制器，其特征在于，所述控制板四个角设有四个圆形孔，通过螺钉固定于外壳中，外壳四角预留四个螺钉孔位用于将飞行控制器安装在无人机上。

Images