CN205880667U - 一种双余度传感器的固定翼无人机自动飞行控制*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双余度传感器的固定翼无人机自动飞行控制***，采用双余度传感器，为高精度的挂载MTI和低精度的板载组合传感器，高精度的差分GPS和低精度的气压计。本实用新型采用双余度传感器，提高固定翼无人机飞行的可靠性与安全性；加入地面站与无线数传模块，可以随时修改自动飞行的航线；加入EEPROM模块，可以记录航点信息和飞行状态，便于观测。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种双余度传感器的固定翼无人机自动飞行控制***，属于固定翼无人机的控制技术领域。
背景技术
中小型固定翼无人机目前广泛应用在国土勘测和森林防火等领域，但由于固定翼稳定操纵较难，一套可自主飞行的飞行控制***的设计十分必要
目前固定翼无人机的姿态传感器和高度传感器多采用单模块设计。而姿态传感器和高度传感器是无人机自动飞行的核心部分，两个模块出现问题，无人机将会无法按照既定轨迹飞行，高度信息出错，会导致高度控制出错导致无人机的失速，从而可靠性与安全性降低。
因此，解决上述问题是迫切需要的。
实用新型内容
针对背景技术中所涉及到的缺陷，本实用新型提供一种双余度传感器的固定翼无人机自动飞行控制***，提高了无人机的可靠性和安全性。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本实用新型提供一种双余度传感器的固定翼无人机自动飞行控制***，其特征在于，包括机载部分和地面站部分；所述机载部分包括固定翼无人机机体、飞行机构、飞行控制单元、遥控器接收机、传感器模块、无线数传模块、电池模块；所述飞行机构包括电子调速器、电机、桨叶、舵机，其中，桨叶安装在电机上；电机位于固定翼无人机机头前端，并通过电子调速器与飞行控制单元连接；舵机通过PWM输出驱动电路与飞行控制单元连接，用来控制升降舵、副翼、方向舵；所述传感器模块包括MIT姿态传感器、六自由度姿态传感器、三自由度磁场传感器、气压计、差分GPS、空速计；所述飞行控制单元分别与MIT姿态传感器、六自由度姿态传感器、三自由度磁场传感器、气压计、差分GPS、空速计、遥控器接收机、无线数传模块、电池模块连接；所述地面站部分包括控制模块、地面无线数传模块和遥控器，其中，地面无线数传模块与机载部分的无线数传模块进行无线通讯。
作为本实用新型的进一步优化方案，所述电机通过连杆机构与固定翼无人机连接。
作为本实用新型的进一步优化方案，所述MIT姿态传感器采用挂载的方式，通过UART与飞行控制单元相连接。
作为本实用新型的进一步优化方案，所述六自由度姿态传感器、三自由度磁场传感器和气压计采用板载的方式，通过I2C总线与飞行控制单元连接。
作为本实用新型的进一步优化方案，无线数传模块通过UART串口与飞行控制单元连接，空速计模块通过I2C总线与飞行控制单元连接。
作为本实用新型的进一步优化方案，还包括通过I2C总线与飞行控制单元连接的EEPROM模块。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)采用双余度传感器，提高固定翼无人机飞行的可靠性与安全性；
(2)加入地面站与无线数传模块，可以随时修改自动飞行的航线；
(3)加入EEPROM模块，可以记录航点信息和飞行状态，便于观测。
附图说明
图1是本实用新型的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
本实用新型公开一种双余度传感器的固定翼无人机自动飞行控制***，包括机载部分和地面站部分；所述机载部分包括固定翼无人机机体、飞行机构、飞行控制单元、遥控器接收机、传感器模块、无线数传模块、电池模块；所述飞行机构包括电子调速器、电机、桨叶、舵机，其中，桨叶安装在电机上；电机位于固定翼无人机机头前端，通过电子调速器与飞行控制单元连接；舵机用来控制升降舵、副翼、方向舵，通过PWM输出驱动电路与飞行控制单元连接；所述传感器模块包括MIT姿态传感器、六自由度姿态传感器、三自由度磁场传感器、气压计、差分GPS、空速计；所述飞行控制单元分别与MIT姿态传感器、六自由度姿态传感器、三自由度磁场传感器、气压计、差分GPS、空速计、遥控器接收机、无线数传模块、电池模块连接；所述地面站部分包括控制模块、地面无线数传模块和遥控器，其中，地面无线数传模块与机载部分的无线数传模块进行无线通讯。
本实用新型采用常规布局的固定翼无人机机体结构，包括一个电子调速器、一个电机、一个桨叶、五个舵机，五个舵机用来控制两个升降舵、两个副翼、一个方向舵，通过PWM输出驱动电路与飞行控制单元连接。固定翼无人机的飞行轨迹及飞行速度由电机及副翼、升降舵、方向舵控制。电机转动提供无人机飞行的前进动力，副翼、升降舵、方向舵用来控制无人机的高度、航向。
一、飞行控制***的硬件实现和结构原理
如图1所示，该固定翼无人机的飞行控制***，包括机载部分和地面站控制部分。机载部分和地面站的通信有两种方式，即2.4GHz的FUTABA遥控器无线通信和915MHz无线传输模块通信。FUTABA遥控器是日本双叶电子工业株式会社生产的一款航模通用的遥控器，与该品牌接收机配套使用。航模操纵者可以通过拨动遥控器上的一些拨杆，各拨杆所处的不同位置对应于不同的行程，能产生具有不同脉宽的各通道遥控PWM信号。无线数传模块传输频率为915MHz，最大传输距离为700m，分为两个模块，分别是Air模块(串口)用于飞行器搭载，Ground模块(USB接口)用于地面连接电脑使用。
本发明的机载部分包括飞行控制单元(CPU)、传感器模块、无线数传模块、电源模块、遥控接收机。电机及舵机，通过PWM输出驱动电路与飞行控制单元(CPU)连接；六自由度姿态传感器、三自由度磁场传感器、气压计、EEPROM、空速计通过I2C总线与飞行控制单元(CPU)连接；无线数传模块通过UART串口与飞行控制单元(CPU)连接；MTI、差分GPS通过USART串口与飞行控制单元(CPU)连接；地面站控制部分的地面无线数传模块与机载部分的无线数传模块进行数据通讯；遥控器接收机通过UART串口(采用SBUS协议)与飞行控制单元(CPU)连接；电源模块通过AD接口与飞行控制单元相连。
(1)飞行控制计算机硬件设计
本发明的飞行控制单元采用32位浮点型单片机，控制器为STM32F407。
控制器STM32F407是基于252MIPS的Cortex-M4架构的32位单片机，时钟频率高达168MHZ，其丰富的硬件接口资源(4个USART，2个USAT，3个I2C，3个SPI，3个12位AD，2个CAN等等)及功能强大的DMA控制方式，充分保证固定翼无人机控制***的稳定性和实时性。以下对飞行控制计算机详细描述：
飞行控制单元，集飞控、导航、与地面站通信功能于一身。主要负责读取遥控器、MIT姿态传感器、六自由度姿态传感器、三自由度磁场传感器、气压计、差分GPS、空速计的数据，同时负责与地面站进行无线数据传输，其功能是根据接收到的遥控器、MIT姿态传感器、六自由度姿态传感器、三自由度磁场传感器、气压计、差分GPS、空速计的数据，实时计算航线给予固定翼无人机导航和飞行控制，并输出控制指令给电子调速器，从而控制电机的转速并将控制指令给舵机控制舵面。本实用新型中，姿态传感器飞行采用高低搭配双余度，在正常飞行时，由挂载的MTI提供姿态和航向数据，板载的航姿传感器(六自由度姿态传感器、三自由度磁场传感器的组合)模块作为备份和比较监控信号。飞行控制单元不断检测MTI的数据，当数据丢失或者数据一直不变时，视为MTI模块出现故障时，由板载的航姿传感器提供姿态和航向数据，保证固定翼无人机的稳定飞行。高度信息同样采用高低精度双余度控制，虽然差分GPS接收数据精度高，误差在10cm内，可是数据依赖基站，数据有丢失的可能性，故采用低精度的气压计高度作为备份和监控。当差分GPS出现故障时，由气压计提供高度信息，以保证固定翼无人机的稳定飞行。其中，飞行控制单元的控制原理为常规技术手段，在 诸如(刘彦博.小型固定翼无人机自主飞行控制律设计[D].哈尔滨工业大学,2015.和孔德胜.某型固定翼无人机飞控***的设计与仿真[D].北京理工大学,2015.)中均有介绍。
(2)传感器模块的设计
本发明中使用到的传感器***包括：
①姿态传感器：高精度MTI姿态传感器，低精度MPU6000和HMC5883l组合九自由度姿态传感器，构成姿态传感器的双余度。
MTI姿态传感器采用的是XSENS公司的MTI-300，具有抗机械抖动和撞击的优异性能，能直接输出高精度的3自由度角度、3自由度角速率和3自由度加速度等数据。静态条件下，滚转角与俯仰角测量偏差在0.2°-0.25°之间；动态情况下，其测量偏差分别为0.3°-1.0°之间，偏航角测量偏差最大为1.0°。提供高达2kHz输出数据频率和低于2ms的数据延迟。
六自由度姿态传感器选用美国Invensense公司生产的MPU-6000，其整合了3自由度陀螺仪、3自由度加速器，为全球首例整合性6自由度运动处理组件。相较于多组件方案，MPU-6000免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间，具有低功耗、低成本、高性能的特点。
三自由度磁场传感器采用的是Honeywell公司的HMC5883L。该传感器能在±8高斯的磁场中实现5毫高斯分辨率，内置自检功能，能让罗盘航向精度精确到1°-2°，采用霍尼韦尔各向异性磁阻(AMR)技术，具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点。
MTI姿态传感器通过串口与飞行控制电源连接，六自由度姿态传感器和三自由度磁场传感器均通过I2C与飞行控制单元连接。
②无线数传模块
无线数传模块是该发明中用于远程控制无人机一种方法，其控制范围决定了无人机的飞行半径。无线数传模块用于实现位于地面的地面站和位于空中无人机搭载的飞控***间的数据互传。本实用新型选用3DR Radio Telemetry数传模块，传输频率为915MHz，最大传输距离为700m，使用UART接口输出数据。
③气压计
气压计采用由MEAS推出的新一代高分辨率气压传感器MS5611，该传感器用来测量固定翼飞行器绝对飞行高度(相对于起飞点的高度)。该模块包含了一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的24位模数转换器，提供了一个精确的24位数字压力值和温度值以及不同的操作模式，可以提高转换速度并优化电流消耗。高分辨率的温度输出无须额外传感器可实现高度计/温度计功能。工作温度范围：-40-85℃，精确度：在飞行高度750m时，偏差-1.5m～+1.5m。
④差分GPS
本实用新型使用NovAtel推出的OEM617，具有模块化的特性为用户的应用提供了灵活的配置。提供了分米级的定位精度。
⑤空速计
本实用新型使用型号MS4525DO-DS5AI001DS的空速计差压传感器，其为数字输出，是一种小型，陶瓷基座，电路板安装用于测量的压力传感器。其将飞机相对于空气的速度通过I2C总线发回飞控，用来控制无人机的速度。
⑥EEPROM
本实用新型使用EEPROM采用T24C256，T24C256是ATMEL公司256kbit串行电可擦的可编程只读存储器，8引脚双排直插式封装，结构紧凑、存储容量大，通过I2C总线与飞控传输信息，其板载在飞控板上。
⑦电源模块
本实用新型使用10000mAh、25C、22.2V锂电池为多旋翼无人机的飞行动力供电，飞行控制单元的电源需进行降压，提供5V、3.3V这两种直流电源以满足控制芯片的需求。使用MP2482芯片实现动力电池稳定输出5V；使用美国MICREL公司生产的MIC5219-3.3实现5V→3.3V的低压降，可达到很高的效率，且成本低，噪音低，静态电流小。
本实用新型所设计的自动飞行控制***能通过地面站设定航线及固定翼无人机飞行动作，比如，起飞、降落、航线跟踪，并通过无线数传模块将航线信息传输给机载部分。
本实用新型采用100Hz作为控制频率，完成对姿态传感器的解析与控制律的运算，经过转换以PWM值输出给电机和舵机，驱动固定翼无人机完成航线飞行。
以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种双余度传感器的固定翼无人机自动飞行控制***，其特征在于，包括机载部分和地面站部分；
所述机载部分包括固定翼无人机机体、飞行机构、飞行控制单元、遥控器接收机、传感器模块、无线数传模块、电池模块；
所述飞行机构包括电子调速器、电机、桨叶、舵机，其中，桨叶安装在电机上；电机位于固定翼无人机机头前端，通过电子调速器与飞行控制单元连接；舵机用来控制升降舵、副翼、方向舵，通过PWM输出驱动电路与飞行控制单元连接；
所述传感器模块包括MIT姿态传感器、六自由度姿态传感器、三自由度磁场传感器、气压计、差分GPS、空速计；
所述飞行控制单元分别与MIT姿态传感器、六自由度姿态传感器、三自由度磁场传感器、气压计、差分GPS、空速计、遥控器接收机、无线数传模块、电池模块连接；
所述地面站部分包括控制模块、地面无线数传模块和遥控器，其中，地面无线数传模块与机载部分的无线数传模块进行无线通讯。
2.根据权利要求1所述的一种双余度传感器的固定翼无人机自动飞行控制***，其特征在于，所述电机通过连杆机构与固定翼无人机连接。
3.根据权利要求1所述的一种双余度传感器的固定翼无人机自动飞行控制***，其特征在于，所述MIT姿态传感器采用挂载的方式，通过UART与飞行控制单元相连接。
4.根据权利要求1所述的一种双余度传感器的固定翼无人机自动飞行控制***，其特征在于，所述六自由度姿态传感器、三自由度磁场传感器和气压计采用板载的方式，通过I2C总线与飞行控制单元连接。
5.根据权利要求1所述的一种双余度传感器的固定翼无人机自动飞行控制***，其特征在于，无线数传模块通过UART串口与飞行控制单元连接，空速计模块通过I2C总线与飞行控制单元连接。
6.根据权利要求1所述的一种双余度传感器的固定翼无人机自动飞行控制***，其特征在于，还包括通过I2C总线与飞行控制单元连接的EEPROM模块。
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