CN212112162U

CN212112162U - 一种双余度小型化飞控装置

Info

Publication number: CN212112162U
Application number: CN202021177053.8U
Authority: CN
Inventors: 许孟孟; 李厚春; 段勇; 高鹏; 汤文杰; 贺峰; 翟新华; 逯彦刚; 伏潇斌; 杜娟
Original assignee: Northwestern Polytechnical University; Xian Aisheng Technology Group Co Ltd
Current assignee: Northwestern Polytechnical University; Xian Aisheng Technology Group Co Ltd
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2020-12-08
Anticipated expiration: 2030-06-22

Abstract

本实用新型公开了一种双余度小型化飞控装置，由单个飞控板和机箱，电源模块、主控模块、测量模块、通信接口模块、数据存储模块组成；各功能模块集成在飞控板上。主控模块CPU采用STM32芯片，用于传感器信息的处理和飞行姿态控制；测量模块用于采集和融合飞行速度、高度、姿态信息。主控CPU和姿态测量单元分别采用双余度主备配置，主控CPU为二个相同的微处理器，两者通过SPI总线连接。主姿态测量单元为惯性测量单元，备姿态测量单元为惯性传感器，两者同时工作，采集飞行姿态、三轴加速度和角速率。小型化飞控装置结构简单、体积小，设计紧凑、重量轻，对于该装置的关键单元采用双余度备份，提高其装置的可靠性。

Description

一种双余度小型化飞控装置

技术领域

本实用新型涉及无人机航电技术领域，具体地说，涉及一种双余度小型化飞控装置。

背景技术

无人机发展的一个重要趋势是飞控计算机的小型化，小型化使得飞控计算机向着多功能、集成化的方向发展。同时，小型化则对飞控计算机的重量和体积提出了更高的要求，要求重量越来越轻，体积越小越好。此外，飞控计算机还要具有可靠性、低成本和低功耗的特点。目前在无人机飞控计算机中,常用的嵌入式处理器包括X86、数字信号处理器、单片机。STM32芯片是基于Cotex-M4ARM内核的嵌入式通用微处理器，具有价格低廉、外设接口丰富、可扩展性强的特点，其内存和主频满足飞行控制功能和运算速度的需求。

在严酷的工作环境下，飞控计算机的可靠性是一个严峻的问题。如果飞控装置的核心组件发生故障，则影响无人机的飞行安全。因此，解决飞控核心组件的可靠性是飞控计算机设计中的关键性问题。

实用新型内容

为了避免现有技术存在的不足，减少飞控计算机的体积和重量，并提高该部件的可靠性，本实用新型提出一种双余度小型化飞控装置；该飞控装置结构简单、体积小，设计紧凑、重量轻，仅包含单个飞控板和机箱，对于飞控装置的关键单元:主控模块微处理器和姿态测量单元，均采用双余度备份，可靠性高。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:包括机箱、铜柱、飞控板、接插件，飞控板与机箱通过铜柱固定连接，接插件位于计算机机箱侧端，接插件用于该装置的供电和通信，其特征在于所述飞控板包括电源模块、主控模块、测量模块、通信接口模块、数据存储模块，电源模块为主控模块、测量模块、通信接口模块和数据存储模块供电；主控模块采用STM32芯片，用于姿态信息的处理和飞行姿态控制；测量模块用于采集和融合飞行速度、高度、姿态信息；通信接口模块包括UART接口、CAN接口、模数转换接口、脉宽调制接口、输入输出接口，用于部件内部和外部通信；数据存储模块包括USB接口、SPI接口和存储模块，用于飞行参数记录工作；

所述电源模块输入端通过PMOS管、稳压二极管和自恢复保险丝，实现电路的防止反接、过压和过流保护作用，输入范围为6.5V～36V；

所述主控模块采用双余度配置，采用两个相同的STM32芯片作为主备CPU，主备CPU独立运行，芯片型号相同，两者同时工作，主备CPU可同时接受所有其它模块的数据，且可给其它模块发送指令；主副CPU之间通过SPI总线连接，实现互相的状态监测。

所述测量模块包括微处理器、惯性测量单元、磁力计、卫星定位***、动压传感器、静压传感器、惯性传感器，其中，惯性测量单元与惯性传感器互为主备姿态传感器，用于输出飞行姿态、三轴加速度和角速率。

所述数据存储模块包含USB Slave接口、SPI接口和SPI Flash芯片，通过电脑USB接口识别Flash外设，在电脑客户端读取和创建文件，进行文件的读写。

有益效果

本实用新型提出的一种双余度小型化飞控装置，由单个飞控板和机箱，电源模块、主控模块、测量模块、通信接口模块、数据存储模块组成；各功能模块集成在飞控板上。主控模块CPU采用STM32芯片，用于传感器信息的处理和飞行姿态控制；测量模块用于采集和融合飞行速度、高度、姿态信息。主控CPU和姿态测量单元分别采用双余度主备配置，主控CPU为二个相同的微处理器，两者通过SPI总线连接。主姿态测量单元为惯性测量单元，备姿态测量单元为惯性传感器，两者同时工作，采集飞行姿态、三轴加速度和角速率。

双余度小型化飞控装置结构简单，设计紧凑；对于飞控装置的关键单元:采用主控模块微处理器和姿态测量单元的双余度配置，提高了该飞控装置的可靠性。飞控装置具有重量轻、体积小，功耗低的特点，其功耗不大于8W。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型一种双余度小型化飞控装置作进一步详细说明。

图1为本实用新型双余度小型化飞控装置示意图。

图2为本实用新型双余度小型化飞控装置硬件结构框图。

图3为本实用新型双余度小型化飞控装置电源模块硬件电路图。

图中

1.机箱 2.铜柱 3.飞控板 4.接插件

具体实施方式

本实施例是一种双余度小型化飞控装置。

参阅图1、图2、图3，本实施例双余度小型化飞控装置，包括机箱1、铜柱2、飞控板3、接插件4，飞控板3与机箱1通过铜柱2固定连接，接插件4位于机箱1侧端，接插件用于该装置的供电和通信；其中，飞控板由电源模块、主控模块、测量模块、通信接口模块、数据存储模块组成。电源模块为主控模块、测量模块、通信接口模块和数据存储模块供电；电源模块输入端通过PMOS管、稳压二极管和自恢复保险丝实现电路的防止反接、过压和过流保护作用，输入范围为6.5V～36V；电源模块包括5V电源电路、3.3V电源电路、3V基准电压电路,并分别提供飞控装置所需要的5V、3.3V、3V电压。

主控模块用于姿态信息的处理和飞行姿态控制；主控模块为整个飞控装置的大脑，采用两个相同的STM32芯片作为主备CPU，主频最大为180MHz，内存容量为192KB。主备CPU独立运行，工作状态完全一致，两者同时工作并接收其它模块传输的参数。CPUA的优先级高于CPU B，CPU A为主CPU。主备CPU通过SPI总线连接，两者互相传输各自的监控状态。当主CPU发生故障时，自主切换到备CPU工作。

测量模块包括微处理器、惯性测量单元、惯性传感器、磁力计、卫星定位***、动压传感器、静压传感器，测量模块用于采集和融合飞行速度、高度、姿态的信息。主控模块与测量模块通过RS232通信，采集测量模块提供的飞行参数信息；其中，微处理器采用STM32芯片，进行各传感器数据的融合处理。针对关键且易发生故障的姿态测量单元，以惯性测量单元和惯性传感器作为主备双余度姿态测量单元，两者均能输出无人机的姿态、角速度和加速度信息。其它测量组成单元，磁力计用来测量无人机的磁航向；卫星定位定位***用来接收GPS信息，测量飞机位置；动静压传感器用来采集飞机机体前部的动静压，从而计算飞机当前的空速和高度。

通信接口模块是根据主控模块STM32芯片自带的串行外设接口、区域网络接口、模数转换接口、定时器、通用I/O接口扩展的应用电路，其实现各模块间、部件间的通信、数据采集、脉宽输出、电压输入输出的功能。为了增加可靠性，通信接口模块的脉宽调制接口均进行光耦隔离保护，防止电压反灌到PWM引脚。

数据存储模块包含USB接口、SPI接口和存储模块，用于飞行参数记录工作。其中，在主控模块和测量模块采用双余度配置。主控模块有二个CPU，两者工作作态完全一致，通过SPI总线连接，互相监视各自的工作状态。若CPU A出现故障，则自主切换到CPU B工作。同时，姿态测量单元，以惯性测量单元和惯性传感器作为主备双余度姿态测量单元，两者均能输出无人机的姿态、角速度和加速度信息。数据存储模块采用华邦电子W25QXX系列，存储容量为32MB。为方便对Flash进行读写操作，扩展其USB Slave接口和SPI接口。SPI接口用于STM32主处理器与Flash芯片进行通信，USB Slave接口用于电脑USB接口识别Flash设备,从而直接通过电脑读写Flash里面的内容。

本实施例中，参见图3，电源模块的电路具有防反接、电压和电流保护的作用，输入电压VIN先经过一对并联电容C1、C2的滤波，C1、C2容值分别为10uF、0.1uF，滤除输入电源的扰动。PMOS场效应管用于反接保护，当输入电源正负极反接输入时，PMOS管截止，电路不工作。当输入电压或者浪涌电压超过36V时，稳压二极管D1把电压快速钳位在36V，起到电压保护的作用。当电路短路或者输入电源电流超过2A时，自恢复保险丝F表现出很大的电阻性，相当于断开电路，并且在电路电流恢复正常时接通电路，起到过流保护的作用。电源电压VOUT正常输出后，经过后端开关稳压芯片转换成+5V、+3.3V和基准电压3V后，供飞控装置使用。由于飞控装置带有模数采集电路，3V基准电压为了获取高精度稳定的A/D采集结果。

Claims

1.一种双余度小型化飞控装置，包括机箱、铜柱、飞控板、接插件，飞控板与机箱通过铜柱固定连接，接插件位于计算机机箱侧端，接插件用于该装置的供电和通信，其特征在于:所述飞控板包括电源模块、主控模块、测量模块、通信接口模块、数据存储模块，电源模块为主控模块、测量模块、通信接口模块和数据存储模块供电；主控模块采用STM32芯片，用于姿态信息的处理和飞行姿态控制；测量模块用于采集和融合飞行速度、高度、姿态信息；通信接口模块包括UART接口、CAN接口、模数转换接口、脉宽调制接口、输入输出接口，用于部件内部和外部通信；数据存储模块包括USB接口、SPI接口和存储模块，用于飞行参数记录工作；

2.根据权利要求1所述的双余度小型化飞控装置，其特征在于:所述测量模块包括微处理器、惯性测量单元、磁力计、卫星定位***、动压传感器、静压传感器、惯性传感器，其中，惯性测量单元与惯性传感器互为主备姿态传感器，用于输出飞行姿态、三轴加速度和角速率。

3.根据权利要求1所述的双余度小型化飞控装置，其特征在于:所述数据存储模块包含USB Slave接口、SPI接口和SPI Flash芯片，通过电脑USB接口识别Flash外设，在电脑客户端读取和创建文件，进行文件的读写。