CN205563189U - 一种无人机飞行控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无人机飞行控制器，包括飞行控制板；所述飞行控制板上设置有主Cortex‑M4微控制器；传感器板；所述传感器板上设置有从Cortex‑M4微控制器和传感器；所述传感器板通过柔性电路板与所述飞行控制板连接；所述柔性电路板，用于连接所述主Cortex‑M4微控制器和所述从Cortex‑M4微控制器；接口板；所述接口板包括左侧接口板以及右侧接口板；减震装置；所述减震装置设置于所述传感器板下。相对于现有技术中的无人机飞行控制器而言，本实用新型公开的无人机飞行控制器采用双Cortex‑M4微控制器，提高了运算能力和外设扩展能力；并且设置了左侧、右侧两块接口板，增加了接口数量。

Description

一种无人机飞行控制器

技术领域

本实用新型涉及无人机控制领域，尤其涉及一种无人机飞行控制器。

背景技术

无人机，是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。无人机用途广泛，可用于农药喷洒、空中摄影、森林防火巡查、电力巡线、快递运输、军事侦察等领域。无人机具有成本低，无人员伤亡风险，机动性能好，使用方便等优点。

无人机飞行控制器，是无人机的核心部件，相当于无人机的大脑，控制着无人机的动作。随着无人机应用领域的不断扩展，无人机的任务越来越复杂，对无人机飞行控制器的运算能力和挂载外部设备的能力要求越来越高。

目前，市场上无人机飞行控制器有基于双ATMEL8位微控制器的飞行控制器，其外设接口丰富但运算能力弱，从而数据处理速度慢；有基于单个Cortex-M3处理器的飞行控制器，成本低且计算速度有提升，但外设接口较少。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种无人机飞行控制器，用以解决现有技术中的无人机飞行控制器无法同时满足运算性强、外设扩展能力强和抗震能力强的问题。

本实用新型实施例采用下述技术方案：

一种无人机飞行控制器，包括：

飞行控制板；所述飞行控制板上设置有主Cortex-M4微控制器；所述主Cortex-M4微控制器与所述飞行控制板相连；

传感器板；所述传感器板上设置有从Cortex-M4微控制器和传感器；所述从Cortex-M4微控制器与所述传感器相连；所述传感器板通过柔性电路板与所述飞行控制板连接；所述柔性电路板，用于连接所述主微控制器和所述从微控制器；

接口板；所述接口板包括左侧接口板以及右侧接口板；所述飞行控制板通过一定间距的排针与所述左侧接口板和右侧接口板相连；

减震装置；所述减震装置设置于所述传感器板下。

可选的，所述减震装置可以为硅胶绵块。

可选的，所述飞行控制板上还可以设置有防电源反接电路、静电保护电路、信号采集电路、蜂鸣器以及LED指示灯电路、存储器中的至少一种；

当所述飞行控制板上设置有防电源反接电路时，所述防电源反接电路并接在所述飞行控制板的供电电源正负极线两端；

当所述飞行控制板上设置有静电保护电路时，所述静电保护电路并接在所述飞行控制板的供电电源正负极线两端；

当所述飞行控制板上设置有LED指示灯电路时，所述LED指示灯电路与所述主Cortex-M4微控制器相连；

当所述飞行控制板上设置有存储器时，所述存储器与所述主Cortex-M4微控制器相连；

当所述飞行控制板上设置有AD信号采集电路时，所述AD信号采集电路为两电阻串联分压电路，所述两电阻串联分压电路的一端接地，另一端与所述接口板连接，两电阻中间相连端连接所述主Cortex-M4微控制器。

可选的，所述传感器板上还可以集成陀螺仪、加速度计、磁罗盘、气压高度计、外界GPS模块中的至少一种；

当所述传感器板上集成了陀螺仪时，所述陀螺仪与所述从Cortex-M4微控制器连接；

当所述传感器板上集成了加速度计时，所述加速度计与所述从Cortex-M4微控制器连接；

当所述传感器板上集成了磁罗盘时，所述磁罗盘与所述从Cortex-M4微控制器连接；

当所述传感器板上集成了气压高度计时，所述气压高度计与所述Cortex-M4从微控制器连接；

当所述传感器板上集成了外接GPS模块时，所述外接GPS模块通过所述接口板与所述从Cortex-M4微控制器连接。

可选的，所述柔性电路板上可以设置有传感器供电线、SPI通信线、GPS通信线以及I2C总线中的至少一种。

可选的，所述无人机飞行控制器还可以包括：用于装载所述飞行控制板、所述传感器板、所述接口板的壳体。

本实用新型实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

由于飞行控制器采用内置减震装置，并采用双Cortex-M4微控制器，提高了运算能力和外设扩展能力；并且设置了左侧、右侧两块接口板，增加了接口数量。从而解决了现有技术中的无人机飞行控制器无法同时满足运算性强、外设扩展能力强和抗震能力强的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例提供的一种无人机飞行控制器的具体结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的无人机飞行控制器的主要组成部分的连接关系示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

以下结合附图，详细说明本实用新型各实施例提供的技术方案。

实施例1

为解决现有技术中的无人机飞行控制器无法同时满足运算性强、外设扩展能力强和抗震能力强的问题，本实用新型实施例提供一种新型的无人机飞行控制器，该控制器具体可称为“基于双Cortex-M4通用型无人机飞行控制器”。该无人机飞行控制器的具体结构示意图如图1所示，主要包括下述组成部分：

飞行控制板1、传感器板2、左侧接口板3、右侧接口板4、柔性电路板5、减震装置6、排针7和壳体8。各组成部分的连接关系可以参考图1和图2所示。

图1中，飞行控制器的组成部分1～7封装于壳体8内；飞行控制板1通过间距1.27mm的排针7与左侧接口板3和右侧接口板4相连；飞行控制板1与传感器板2通过柔性电路板5相连；柔性电路板5两端都接到相应的柔性线路板(Flexible Printed Circuit，简称FPC)座里；减震装置6为硅胶海绵块，放置于传感器板2下——特别地，可以按照传感器板2下每个角分别放置一个硅胶海绵块的方式，将硅胶海绵块分别放置于传感器板2的四个角下，并用胶水加固连接。

为了更加清晰的反映无人机飞行控制器中的各组成部分之间的连接关系，本实用新型实施例还提供了无人机飞行控制器的主要部分的连接关系示意图，如图2所示。

以下结合图1和图2，对飞行控制器的不同组成部分的主要作用、不同组成部分之间的位置关系和连接关系等进行说明：

一、飞行控制板1

飞行控制板1主要用于接收遥控器信号、控制电子调速器转速、和地面站通信、记录航行信息、控制外接设备和结合飞行状态数据运行飞行控制策略控制飞行器飞行。其中，飞行状态数据，可以是从传感器板2发送来的输出信号中获取到的。

从飞行控制板1的结构上看，如图2所示，飞行控制板1主要包括1个Cortex-M4内核的ARM微控制器(即图2所示的主控制器11)，此外，还包括存储模块12、AD电阻分压电路13、防电源反接电路14、静电保护电路15和板载三色LED灯电路16等。

以下分别介绍飞行控制板1的各组成部分的作用及连接关系。

1.Cortex-M4内核的ARM微控制器

Cortex-M4内核的ARM微控制器，主要用于进行信息处理。为区别后文传感器板上设置的Cortex-M4微控制器，将飞行控制板上设置的Cortex-M4微控制器作为主控制器(如图2中所示的主控制器(STM32F407VET6))11。

2.存储器12

存储器12，主要用于存储地面站36传来的航点信息和记录航行状态的信息。存储器12具体可以为TF卡(Trans-flash Card)和/或16MBIT flash存储器。主控制器11与存储器12之间可以通过串行外设接口(Serial PeripheralInterface，SPI)建立连接。主控制器11通过SPI通信线可以对存储器12的存储空间执行读写操作。

3.AD电阻分压电路13

AD电阻分压电路13，位于飞行控制板1上，与主控制器11相连，并通过两侧接口板与外侧电池正极相连，该电路主要用于检测作为飞行控制器电源的电池的电压。

由于AD电阻分压电路13的具体结构可以参见比较成熟的相关技术，因此本实用新型实施例对此不进行赘述。

4.防电源反接电路14和静电保护电路15

在5V电源从接口板接入为飞行控制板1供电时，飞行控制板1上接入的供电电源正负极线两端并接肖特基二极管和TVS二极管。

防电源反接电路14具体可以是二极管形式的器件，比如肖特基二极管；

静电保护电路15，主要用于避免飞行控制器的壳体8中产生的静电对飞行控制器产生不良影响。该静电保护电路15具体可以是二极管形式的高效能保护器件，比如TVS二极管。

5.板载三色LED灯电路16

板载三色LED灯电路16的电源可以由主控制器11提供，主要用于在主控制器11的控制下，改变颜色和闪烁频率，以指示信息。需要说明的是，为能够从飞行控制器外部观察到内部的指示灯的亮灭和颜色变化，通常会在飞行控制器壳体上留有可以观察指示灯的透明窗口。

二、传感器板2

传感器板2主要用于采集传感器数据，对数据滤波、融合、和计算之后发送给飞行控制板1。

从传感器板2的结构上看，如图2所示，传感器板2上设置有1个Cortex-M4内核的ARM微控制器，相对于飞行控制板1上设置的Cortex-M4内核的ARM微控制器，该微控制器可以作为飞行控制器的从控制器(如图2中所示的主控制器(STM32F405RGT6))21，从控制器21和主控制器11之间可以通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)或者异步收发传输器(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter，UART)接口进行通信。

传感器板2中可以集成各种传感器，比如可以但不限于集成陀螺仪(L3GD20H)22、气压高度计(MS5607/MS5601)23、加速度计和磁罗盘中的至少一种，此外，还可以集成外接GPS模块27。其中，陀螺仪22、加速度计和磁罗盘分别可以通过SPI通信线与从控制器12连接；气压高度计23可以通过I2C总线与从控制器12连接；加速度计和磁罗盘可以共同封装在同一模块中，如图2中的加速度计+磁罗盘(LSM303D)，为便于描述，后续将该集成了加速度计和磁罗盘的模块记为加速度计+磁罗盘24。

本实用新型实施例提供的该飞行控制器中除了可以包含加速度计+磁罗盘24中集成的磁罗盘外，还可以包含如图2所示的外置磁罗盘25。该外置磁罗盘25通常可以和GPS模块27封装在一个模块中，并接到飞行控制器上，使用外置磁罗盘25可以防止内部加速度计+磁罗盘24中集成的磁罗盘受飞行控制器内部电路及飞行器的壳体等对地磁场监测产生的干扰，外置磁罗盘25可以作为传感器板2的一部分，也可以独立于传感器板2之外。

需要说明的是，考虑到当传感器板2出现硬件或软件故障而不能向飞行控制板1传送飞行状态数据时，被飞行控制器控制的无人飞机等飞行设备很可能失去控制而坠毁。为避免这样的问题，传感器板2中还可以包括如图2所示的陀螺仪加速度芯片26，该陀螺仪加速度芯片26可以通过I2C总线与主控制器11相连，用于当传感器板上的陀螺仪芯片或加速度计+磁罗盘24不能正常工作(即不能提供有效的角速度和线加速度)时，继续向主控制器11提供角速度和线加速度，主控制器11根据提供的角速度以及线加速度发出控制信息，防止飞行设备坠毁。

在本实用新型实施例中，可以将传感器板作为集成多种传感器的独立模块，为增加传感器的通用性，特增加串口通信协议，将从控制器的串口TX线与SPI的MISO线连接，串口RX线与SPI的MOSI线连接，从控制器上电后检查SPI的CLK线高低电平状态来区分使用SPI协议还是串口协议，这种方式可以减少通信线的数量。

所述传感器板2和飞行控制板1都设置有SWD下载接口、串口调试接口和三色LED灯，可以通过控制三色LED灯的颜色和闪烁频率指示丰富信息。需要说明的是，为能够从外界观察到指示灯的亮灭和颜色变化的信息，通常会在飞行器壳体上留有可以观察指示灯的透明窗口。

传感器板2上还设置了电源反接保护电路28，该电路的实现方法为供电线正极接P沟道场效应管的漏极，源极接稳压电路输入端，门极通过470欧姆电阻接地。该保护电路相对于二极管保护电路具有导通压降小的特点。

三、左侧接口板3和右侧接口板4

左侧接口板3和右侧接口板4用于提供主控制器11、从控制器12与外界的接口。该些接口可以但不限于包括UART、I2C、SPI和CAN接口中的至少一种。

本实用新型实施例中，传感器板2中集成的传感器通过左侧接口板3和/或右侧接口板4提供的接口，与从控制器12连接。此外，外部设备可以通过左侧接口板3和/或右侧接口板4提供的接口，与主控制器11建立有线或者无线的连接。

这里所说的外部设备，可以包括但不限于GPS模块27、外置磁罗盘25、遥控器接收机31，多机通信模块32、避障模块33、OSD模块34、电子调速器35以及数传模块(图1和图2中均未示出)等中的至少一种。

针对外部设备包括遥控器接收机31的情况，主控制器11可以接收遥控器接收机31发来的8路PWM信号。

四、柔性电路板5

所述柔性电路板5，用于提供供电线、通信线缆和总线等线缆。一般地，柔性电路板5上包括：为传感器板2包含各传感器供电的供电线、SPI、GPS通信线和I2C总线。

其中，为传感器板2包含各传感器供电的供电线，用于连接电源和传感器；SPI，用于连接主控制器11和从控制器21；GPS通信线，起于从控制器21经由柔性电路板在经由飞行控制板1，然后通过接口板与外接的GPS模块27相连；I2C总线，用于连接主控制器11、从控制器21、陀螺仪加速度计芯片26和外置磁罗盘25。

本实用新型的工作原理：传感器板2采集各传感器数据，对数据滤波、融合和解算之后获得飞行状态，之后发送给飞行控制板1。飞行控制板1负责与地面站通信，接收遥控器信号、控制挂载的外部设备，结合飞行状态数据运行飞行控制策略，控制飞行设备飞行。

以上所述仅为本实用新型的实施例而已，并不用于限制本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种无人机飞行控制器，其特征在于，包括：

飞行控制板；所述飞行控制板上设置有主Cortex-M4微控制器；所述主Cortex-M4微控制器与所述飞行控制板相连；

传感器板；所述传感器板上设置有从Cortex-M4微控制器和传感器；所述从Cortex-M4微控制器与所述传感器相连；所述传感器板通过柔性电路板与所述飞行控制板连接；所述柔性电路板，用于连接所述主Cortex-M4微控制器和所述从Cortex-M4微控制器；

接口板；所述接口板包括左侧接口板以及右侧接口板；所述飞行控制板通过一定间距的排针与所述左侧接口板和右侧接口板相连；

减震装置；所述减震装置设置于所述传感器板下。

2.如权利要求1所述的无人机飞行控制器，其特征在于，所述减震装置为硅胶海绵块。

3.如权利要求1所述的无人机飞行控制器，其特征在于，所述飞行控制板上还设置有防电源反接电路、静电保护电路、AD信号采集电路、LED指示灯电路、存储器中的至少一种；

当所述飞行控制板上设置有防电源反接电路时，所述防电源反接电路并接在所述飞行控制板的供电电源正负极线两端；

当所述飞行控制板上设置有静电保护电路时，所述静电保护电路并接在所述飞行控制板的供电电源正负极线两端；

当所述飞行控制板上设置有LED指示灯电路时，所述LED指示灯电路与所述主Cortex-M4微控制器相连；

当所述飞行控制板上设置有存储器时，所述存储器与所述主Cortex-M4微控制器相连；

当所述飞行控制板上设置有AD信号采集电路时，所述AD信号采集电路为两电阻串联分压电路，所述两电阻串联分压电路的一端接地，另一端与所述接口板连接，两电阻中间相连端连接所述主Cortex-M4微控制器。

4.如权利要求1所述的无人机飞行控制器，其特征在于，所述传感器板上集成了陀螺仪、加速度计、磁罗盘、气压高度计、外接GPS模块中的至少一种；

当所述传感器板上集成了陀螺仪时，所述陀螺仪与所述从Cortex-M4微控制器连接；

当所述传感器板上集成了加速度计时，所述加速度计与所述从Cortex-M4微控制器连接；

当所述传感器板上集成了磁罗盘时，所述磁罗盘与所述从Cortex-M4微控制器连接；

当所述传感器板上集成了气压高度计时，所述气压高度计与所述Cortex-M4从微控制器连接；

当所述传感器板上集成了外接GPS模块时，所述外接GPS模块通过所述接口板与所述从Cortex-M4微控制器连接。

5.如权利要求1所述的无人机飞行控制器，其特征在于，所述柔性电路板上设置有传感器供电线、SPI通信线、GPS通信线以及I2C总线中的至少一种。

6.如权利要求1所述的无人机飞行控制器，其特征在于，所述装置还包括：

用于装载所述飞行控制板、所述传感器板、所述接口板、所述减震装置的壳体。