CN105334861A - 一种无人机飞控模块、无人机飞控系统及无人机 - Google Patents

Abstract

一种无人机飞控模块、无人机飞控系统及无人机，其中无人机飞控模块包括：处理器；GNSS模块，所述GNSS模块与所述处理器连接；飞行状态侦测单元，所述飞行状态侦测单元与所述处理器连接；接口驱动，所述接口驱动与所述处理器连接。无人机飞控模块包括飞行状态侦测单元，飞行状态侦测单元可以获得诸如过载信息、航姿信息、空速信息以及气流角信息等飞行状态信息，并通过GNSS获得导航信息，然后将飞行状态信息与导航信息融合计算后通过接口驱动对无人机进行自主控制，实现超视距控制，提高了无人机的飞行安全，降低了无人机飞行时对操作手的依赖。

Description

一种无人机飞控模块、无人机飞控系统及无人机

技术领域

本发明涉及无人机领域，特别涉及到一种无人机飞控模块、无人机飞控系统及无人机。

背景技术

无人机具有无需空中驾驶员、机动性强、成本相对低、易于操作等优点，在军事领域的区域侦查监视、目标锁定跟踪和通讯中继等，警用领域中的反恐侦查监视、安保和交通监控等，民用领域中的石油管路巡线、电力巡线、农林植保和渔业等业务中拥有广泛的应用市场和良好的应用前景，使得无人机的发展十分迅猛。

现有技术中，无人机的飞行控制系统大多由地面遥控装置、机载控制装置和机载驱动装置这三部分组成。地面操作手需要实时观察无人机的飞行状态，并根据飞行状态对遥控装置进行控制，遥控装置将接收到的控制信息与机载控制装置进行交互，机载控制装置对接收到指令信息进行分析计算，然后依据处理后的指令信息对所述机载驱动系统进行控制，最后，通过机载驱动系统实现对无人机的控制。

上述这种无人机的控制方式对操作手的资质有较高要求，而且不同应用领域的无人机，其具体应用特点也不同，因此需要对操作手进行专业的严格培训。

另一方面，上述这种无人机的控制方式无法实现超视距操作，且远距离控制精度不佳、影响飞行安全，不利于无人机在各个不同领域的推广和广泛应用。

因此，现有技术中的无人机大多还十分依赖操作手，而且无法实现超视距操作，远距离控制精度不佳，无人机飞行安全性较低。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术中的无人机大多还十分依赖操作手，而且无法实现超视距操作，远距离控制精度不佳，无人机飞行安全性较低。

为解决上述问题，本发明提供一种无人机飞控模块，包括：

处理器；

GNSS模块，所述GNSS模块与所述处理器连接；

飞行状态侦测单元，所述飞行状态侦测单元与所述处理器连接；

接口驱动，所述接口驱动与所述处理器连接。

进一步，所述飞行状态侦测单元包括：

IMU；

绝压传感器；

差压传感器。

进一步，还包括：

存储器，所述存储器与所述处理器连接；

总线驱动，所述总线驱动与所述处理器连接；

信号处理单元，所述信号处理单元与所述处理器连接，并与所述差压传感器连接；

信号整形单元，所述信号整形单元与所述处理器连接；

数据链模块，所述数据链模块与所述处理器连接。

进一步，还包括：

LED灯，所述LED灯与所述处理器连接；

功率放大器，所述功率放大器与所述处理器连接；

电源管理模块；

USB接口，所述USB接口与所述处理器连接。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的无人机飞控模块包括飞行状态侦测单元，所述飞行状态侦测单元可以获得诸如过载信息、航姿信息、空速信息以及气流角信息等飞行状态信息，并通过GNSS获得导航信息，然后将飞行状态信息与导航信息融合计算后通过接口驱动对无人机进行自主控制，实现超视距控制，提高了无人机的飞行安全，降低了无人机飞行时对操作手的依赖。

本发明还提供一种无人机飞控系统，包括：

上述的无人机飞控模块；

I/O接口、舵机和电调，所述I/O接口、舵机和电调与所述接口驱动连接；

遥控接收机，所述遥控接收机与所述信号整形单元连接；

GNSS天线，所述GNSS天线与所述GNSS模块连接；

空速管，所述空速管与所述信号处理单元和所述差压传感器连接。

进一步，还包括：

机载电源，所述机载电源与电源管理模块连接；

I2C总线、UART总线和CAN总线，所述I2C总线、UART总线和CAN总线与所述总线驱动连接。

进一步，还包括：

射频接头，所述GNSS天线通过所述射频接头与所述GNSS模块连接。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的无人机飞控系统包括无人机飞控模块，所述无人机飞控模块包括飞行状态侦测单元，所述飞行状态侦测单元可以获得诸如过载信息、航姿信息、空速信息以及气流角信息等飞行状态信息，并通过GNSS获得导航信息，然后将飞行状态信息与导航信息融合计算后通过接口驱动对无人机进行自主控制，实现超视距控制，提高了无人机的飞行安全，降低了无人机飞行对操作手的依赖。

本发明还提供一种无人机，包括：

上述的无人机飞控系统；

遥控器，所述遥控器可与遥控接收机进行交互。

进一步，还包括：

地面站PC，所述地面站PC可通过USB接口与所述处理器连接。

进一步，还包括：

数据链地面终端，所述数据链地面终端可与所述数据链模块进行交互。

本发明的无人机包括无人机飞控系统，所述无人机飞控系统包括无人机飞控模块，所述无人机飞控模块包括飞行状态侦测单元，所述飞行状态侦测单元可以获得诸如过载信息、航姿信息、空速信息以及气流角信息等飞行状态信息，并通过GNSS获得导航信息，然后将飞行状态信息与导航信息融合计算后通过接口驱动对无人机进行自主控制，实现超视距控制，提高了无人机的飞行安全，降低了无人机飞行对操作手的依赖。

附图说明

图1是本发明第一实施例中无人机飞控模块的布局示意图；

图2是本发明第二实施例中无人机飞控系统的布局示意图；

图3是本发明第三实施例中无人机飞控系统和地面站的布局示意图；

图4是本发明第三实施例中无人机自主飞行的信号处理流程示意图；

图5是本发明第三实施例中无人机工作流程图。

具体实施方式

现有技术中的无人机大多还十分依赖操作手，而且无法实现超视距操作，远距离控制精度不佳，无人机飞行安全性较低。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

第一实施例

参考图1，本实施例提供一种无人机飞控模块，包括：

处理器，GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem，全球导航卫星系统)模块，飞行状态侦测单元和接口驱动。

在本实施例中，所述处理器为ARM和FPGA的双核结构，可以确保无人机飞控模块具有良好的实时性和卓越接口能力。

所述GNSS模块与所述处理器连接，所述GNSS模块用于提供卫星导航信息，可以获取无人机的经度、纬度、高度、地速和航向等信息，并将这些信息传输至处理器进行解算。

所述飞行状态侦测单元与所述处理器连接。在本实施例中，所述飞行状态侦测单元包括IMU、绝压传感器和差压传感器。

其中IMU提供3轴的惯性信息和磁场信息，并将惯性信息和磁场信息提供给处理器以解算得到无人机的飞行姿态和磁航向。

所述绝压传感器可以测得大气绝对压力，以供处理器计算气压高度。

在本实施例中，所述无人机飞控模块还包括信号处理单元，所述信号处理单元与所述处理器连接，并与所述差压传感器连接。所述差压传感器和信号处理单元向处理器提供差压和气流角信号，以供处理器计算空速、迎角及侧滑角等信息。

所述接口驱动与所述处理器连接。

在本实施例中，无人机飞控模块还包括：存储器，总线驱动，LED灯，功率放大器，电源管理模块，USB接口，信号整形单元以及数据链模块。

所述存储器与所述处理器连接，所述处理器可以对所述存储器进行读写操作。

在本实施例中，所述存储器包括高速NVM(NonVolatileMemory，非易失性存储器)以用于实时存取重要参数，还包括TF卡以用于记录大的数据，如存储航线、任务等预载入数据。

所述总线驱动与所述处理器连接，所述总线驱动提供标准总线接口，以便与现有的通用设备互联，提高无人机飞控模块的通用性与扩展性。

所述信号整形单元与所述处理器连接，信号整形单元用于对接口驱动的接口信号进行处理，以便处理器处理，又起到隔离保护作用。

所述数据链模块与所述处理器连接，用于与数据链地面终端通过射频接头建立无线连接。

所述LED灯与所述处理器连接，LED灯在处理器的驱动下通过不同的灯光组合显示不同的信息。

所述功率放大器与所述处理器连接，用于提供高功率输出能力的接口。

所述USB接口与所述处理器连接，地面站PC通过该USB与无人机飞控模块进行连接。

所述电源管理模块管理电源的输入，为无人机飞控模块提供合理的供电，并对电源和无人机飞控模块进行保护。

本实施例的无人机飞控模块包括飞行状态侦测单元，所述飞行状态侦测单元可以获得诸如过载信息、航姿信息、空速信息以及气流角信息等飞行状态信息，并通过GNSS获得导航信息，然后将飞行状态信息与导航信息融合计算后通过接口驱动对无人机进行自主控制，实现超视距控制，提高了无人机的飞行安全，降低了无人机飞行时对操作手的依赖。

第二实施例

参考图2，本实施例提供一种无人机飞控系统，包括：

第一实施例中的无人机飞控模块。

I/O接口、舵机和电调，所述I/O接口、舵机和电调与所述接口驱动连接；所述I/O接口、舵机和电调受无人机飞控模块控制，进而实现对无人机的最终控制。

遥控接收机，所述遥控接收机与所述信号整形单元连接；所述遥控接收机接收遥控器的指令，并将指令通过所述信号整形单元进行处理，最后传输至处理器，通过处理器处理后控制I/O接口、舵机和电调等，实现对无人机的最终控制。

所述无人机飞控系统还提供脉冲信号给信号整形单元。

GNSS天线，所述GNSS天线与所述GNSS模块连接；用于接收GNSS的导航信号。

在具体实施例中，所述无人机飞控模块还包括射频接头，所述GNSS天线通过所述射频接头与所述GNSS模块连接。

空速管，所述空速管与所述信号处理单元和所述差压传感器连接，用于感受气流的总压(也称全压)和静压。

在本实施例中，无人机飞控系统还包括机载电源，I2C总线、UART总线和CAN总线。

所述机载电源与电源管理模块连接；机载电源直接供给无人机飞控模块、电调及舵机，而且可以适应不同功率的电机或舵机。

所述I2C总线、UART总线和CAN总线与所述总线驱动连接。

本发明的无人机飞控系统包括无人机飞控模块，所述无人机飞控模块包括飞行状态侦测单元，所述飞行状态侦测单元可以获得诸如过载信息、航姿信息、空速信息以及气流角信息等飞行状态信息，并通过GNSS获得导航信息，然后将飞行状态信息与导航信息融合计算后通过接口驱动对无人机进行自主控制，实现超视距控制，提高了无人机的飞行安全，降低了无人机飞行对操作手的依赖。

第三实施例

参考图3，本实施例提供一种无人机，包括：第二实施例的无人机飞控系统和遥控器。

所述遥控器可与遥控接收机进行交互。

在本实施例中，所述无人机还包括地面站PC，所述地面站PC可通过USB接口与所述处理器连接。

在本实施例中，所述无人机还包括数据链地面终端，所述数据链地面终端可与所述数据链模块进行交互。

所述遥控器、地面站PC和数据链地面终端构成无人机的地面站。

遥控器通过射频信号与遥控接收机相连，遥控器发送的指令通过遥控接收机和信号整形单元发送至处理器，处理器对指令进行处理后控制接口驱动以实现对无人机飞行状态的控制。

地面站PC可以通过USB与无人机飞控模块相连以实现调试、数据加载与读取等操作。

地面站也可以通过数据链地面终端与无人机飞控模块进行无线交互，所述数据链地面终端通过射频接头和数据链模块与处理器进行连接。

参考图4，本实施例的无人机自主飞行的流程包括：

无人机处理器对IMU搜集的信息进行采样解算(加速度信号处理和航姿解算)，获得无人机的航姿及过载信号，用于实现过载控制功能和航姿控制功能。

无人机处理器对差压和气流角信号进行采样处理，获取空速、迎角和侧滑角信息，用于实现空速和气流角控制功能。

无人机处理器对GNSS模块和绝压传感器搜集的信号进行采样处理(导航信息解算和高度解算)，获取无人机的经度、纬度、高度及气压高度，结合预载入或动态载入的航线、任务信息，进行导航解算，用于实现导航控制功能。

本发明将过载控制功能、航姿控制功能、空速控制和气流角控制功能定位为内环控制功能，导航控制功能作为内环控制功能的输入，由内环控制功能输出至舵机或电调驱动控制功能，实现对飞行器的最终控制。

地面指令可以由遥控器产生，也可以由地面站直接产生；地面指令可根据具体情况作用于导航控制或内环控制。

航线及任务信息可由地面站PC创建，预先或动态的加载至飞控模块，地面站PC可通过数据链实时监控无人机。

本实施例的无人机具有完备的应急处置功能，在紧急情况下可保障飞行安全，可在手操和自主模式间切换，满足不同级别的使用需求。

本实施例的无人机飞控系统完善丰富、核心控制功能完备，根据不同的构型的无人机配置不同控制架构和方法，可适用与固定翼、多旋翼等多种小型无人机飞行器。

参考图5，本实施例无人机的典型工作流程：

通过地面站选择无人机飞行器的构型，设置具体参数，并按照对应构型无人机的具体连接方法接线；

无人机飞控系统上电、初始化，并执行测试流程，如果通过则进行下一步，若存在故障则按照提示信息进行排故；

通过地面站辅助生成航线、任务数据。与具体相关控制参数和设置信息一同加载至飞控模块；

无人机起飞前自检，如果通过则进行下一步，若存在故障则按照提示信息进行排故；

一切准备就绪后，地面操作员通过地面站发送起飞指令，进入全自主控制模式；

无人机飞控模块获取GNSS模块的经度、纬度、高度、地速、航向、气压高度、航线和任务信息，经过导航信息解算，导航控制；其输出作为内环控制的输入；

利用航姿信息进行航姿控制、利用过载信息进行过载控制、利用空速信息进行空速控制、利用气流角信息(迎角、侧滑角信息)进行气流角控制，共同构成了内环控制；

无人机飞控模块根据机型和参数自动构建控制架构和方法，根据实际情况自动形成适合的导航和内环控制方法，且可以根据设置和需求灵活处理地面指令；

以内环控制的输出为输入，进行信号处理与分配，驱动舵机或电调驱动系统，完成无人机的驱动工作，无需地面操作人员干预，按航线和任务属性实现无人飞行器的自主飞行。

地面站还可自动记录无人机全过程飞行数据，以便实时显示飞行数据和离线分析；操作人员可以通过地面站或遥控器发送地面指令，干预自主飞行。

本发明的有益效果主要包括：

本实施例高度集成化设计，无人机飞控模块仅需一根GNSS天线即可实现全自主飞行控制功能，方便易用；

本实施例是高度自主的无人机飞控系统，基于航线和任务属性飞行，无需人员干预即可完成任务，降低了对操作人员的依赖和要求，极大的助推了小型无人机在各个领域的推广和发展；

接口完善丰富，可满足固定翼、多旋翼、垂直起降等多种构型的无人机需求，且预留充足的总线和I/O接口，扩展能力强，可兼容现有各种标准功能外设；

控制方法完善，可实现对多种构型无人飞行器的自主控制；

工作模式灵活，可以在自主操作和手动操作之间切换，满足不同级别的应用需求；

适合小型无人机，针对不同构型的小型无人机飞行具体工况特性进行参数优化，通过软件算法优化保证性能，严格控制体积重量，既保证了功能、性能，又降低了飞控系统的成本；

处理器采用ARM和FPGA的双核架构，将运算与逻辑分离，既保证了控制系统的实时性与控制精度，又解决了大量需求接口的问题；

提供了标准的接口，可兼容市场上所有类型的接收机和遥控器，通用性强；

本实施例具备完善的特殊处置功能，确保在GNSS模块信号丢失、数据链信号丢失、误操作、动力损坏、电量不足等各种特殊发生时都有完善的处置逻辑和方法，可最大程度的确保飞行安全；

本实施例具备调试、测试、和分析功能，支持不同阶段的不同层级的检测和测试，并能够给出测试结果和提示信息；

本实施例的地面站通过数据库管理各项数据和参数，具备完善的离线分析功能，并针对不同领域的具体应用提供了专业的标准流程、方法和默认参数，便于快速应用，同时也支持用户自主的条目更新与创建，开放性优异。

本发明的无人机包括无人机飞控系统，所述无人机飞控系统包括无人机飞控模块，所述无人机飞控模块包括飞行状态侦测单元，所述飞行状态侦测单元可以获得诸如过载信息、航姿信息、空速信息以及气流角信息等飞行状态信息，并通过GNSS获得导航信息，然后将飞行状态信息与导航信息融合计算后通过接口驱动对无人机进行自主控制，实现超视距控制，提高了无人机的飞行安全，降低了无人机飞行对操作手的依赖。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种无人机飞控模块，其特征在于，包括：

处理器；

GNSS模块，所述GNSS模块与所述处理器连接；

飞行状态侦测单元，所述飞行状态侦测单元与所述处理器连接；

接口驱动，所述接口驱动与所述处理器连接。

2.如权利要求1所述的无人机飞控模块，其特征在于，所述飞行状态侦测单元包括：

IMU；

绝压传感器；

差压传感器。

3.如权利要求2所述的无人机飞控模块，其特征在于，还包括：

存储器，所述存储器与所述处理器连接；

总线驱动，所述总线驱动与所述处理器连接；

信号处理单元，所述信号处理单元与所述处理器连接，并与所述差压传感器连接；

信号整形单元，所述信号整形单元与所述处理器连接；

数据链模块，所述数据链模块与所述处理器连接。

4.如权利要求2所述的无人机飞控模块，其特征在于，还包括：

LED灯，所述LED灯与所述处理器连接；

功率放大器，所述功率放大器与所述处理器连接；

电源管理模块；

USB接口，所述USB接口与所述处理器连接。

5.一种无人机飞控系统，其特征在于，包括：

权利要求1-4任一所述的无人机飞控模块；

I/O接口、舵机和电调，所述I/O接口、舵机和电调与所述接口驱动连接；

遥控接收机，所述遥控接收机与所述信号整形单元连接；

GNSS天线，所述GNSS天线与所述GNSS模块连接；

空速管，所述空速管与所述信号处理单元和所述差压传感器连接。

6.如权利要求5所述的无人机飞控系统，其特征在于，还包括：

机载电源，所述机载电源与电源管理模块连接；

I2C总线、UART总线和CAN总线，所述I2C总线、UART总线和CAN总线与所述总线驱动连接。

7.如权利要求5所述的无人机飞控系统，其特征在于，还包括：

射频接头，所述GNSS天线通过所述射频接头与所述GNSS模块连接。

8.一种无人机，其特征在于，包括：

权利要求5-7任一所述的无人机飞控系统；

遥控器，所述遥控器可与遥控接收机进行交互。

9.如权利要求8所述的无人机，其特征在于，还包括：

地面站PC，所述地面站PC可通过USB接口与所述处理器连接。

10.如权利要求8所述的无人机，其特征在于，还包括：

数据链地面终端，所述数据链地面终端可与所述数据链模块进行交互。