一种适用小型无人机的飞控设备的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种适用小型无人机的飞控设备，包括：实时处理模块、飞行控制模块、姿态推算模块、复合通信接口及电子身份认证模块，并且上述各个模块采用SIP技术集成为芯片，还包括：智能导航模块、执行机构及动力系统接口；电子身份认证模块将身份信息通过复合通信接口按一定的周期不断地发送至地面协同空管系统；姿态推算模块测量无人机角速度、加速度和地磁场，并应用四元数法和扩展卡尔曼滤波算法估算出横滚角、俯仰角和航向角，姿态推算模块将估算出的姿态角发送至飞行控制模块；智能导航模块根据无人机所处的周边环境状况切换导航方式。集成自主导航控制、远程空管通信、姿态推算、电子身份认证功能，实现无人机的全自主飞行和航空管制功能。
【专利说明】
一种适用小型无人机的飞控设备
技术领域
[0001]本发明属于无人机的飞行控制技术领域，尤其涉及一种适用小型无人机的飞控设备。
【背景技术】
[0002]无人机虽然机械构造与飞行原理比较简单，但对传感器性能与控制理论上的要求非常高，MEMS传感器技术及嵌入式微处理器的高速发展使得无人机的研究得到了突破，尤其是多旋翼无人机已逐步取代直升机式无人机，旋翼无人机成为研究的主流。目前已有的自主控制水平能够实现相对确定环境下的自主或半自主控制，在未知环境下，要实现快速的自适应变化，真正意义上的无人机自主飞行控制，目前技术还不成熟。
[0003]无人机姿态测量部分大都采用单轴陀螺仪、三轴加速度计和地磁计等，市场中也有可以直接输出角度的航姿参考系统，体积大、价格昂贵。除此之外，无人机具有低空、慢速、目标小的特点，利用无人机非法拍摄、投递毒品等屡见不鲜，导致管控难、侦测难、处置难，还存在申报飞行计划不畅，空中监管难等问题，针对无人机的管控是一个世界性难题。
【发明内容】
[0004]为解决上述技术问题，本发明提出一种适用小型无人机的飞控设备。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
[0005]本发明采用如下技术方案:
[0006]在一些可选的实施例中，提供一种适用小型无人机的飞控设备，包括:处理数据的实时处理模块、用于无人机自主飞行控制的飞行控制模块、姿态推算模块、与地面协同空管系统进行通讯的复合通信接口、电子身份认证模块、智能导航模块、执行机构及动力系统接口，通过系统级封装方式将所述实时处理模块、飞行控制模块、姿态推算模块、电子身份认证模块集成在一个封装内；所述复合通信接口与所述实时处理模块连接，所述实时处理模块通过所述复合通信接口接收地面协同空管系统的指令并通过第一接口传送至所述飞行控制模块;所述电子身份认证模块与所述实时处理模块连接，所述电子身份认证模块将自身存储的身份信息通过所述复合通信接口按一定的周期不断地发送至地面协同空管系统；所述智能导航模块与所述实时处理模块连接，根据无人机所处的外界环境选择导航方式；所述姿态推算模块用于测量无人机的横滚角、俯仰角和航向角并估算出姿态角，包括:9轴传感器、气压计、GPS接口、扩展卡尔曼滤波器及输出接口，所述姿态推算模块与所述飞行控制模块连接，将估算出的姿态角发送至所述飞行控制模块，所述9轴传感器、气压计和GPS接口连接至所述扩展卡尔曼滤波器的输入端，所述输出接口连接至所述扩展卡尔曼滤波器的输出端，所述姿态推算模块通过所述GPS接口外接GPS接收机。
[0007]在一些可选的实施例中，所述扩展卡尔曼滤波器通过所述输出接口将自身估算出的姿态角发送至所述飞行控制模块，所述输出接口为UART串口或CAN总线接口。
[0008]在一些可选的实施例中，所述通信接口包括:公网通信单元、北斗卫星通信单元及无线局域网通信单元，所述公网通信单元通过2.5G、3G或4G网络与地面协同空管系统进行通讯，所述北斗卫星通信单元通过北斗卫星发送报文的方式与地面协同空管系统进行通讯，所述无线局域网通信单元与手机进行通信。
[0009 ]在一些可选的实施例中，所述第一接口为UART接口、SPI接口或IIC总线，所述实时处理模块与所述飞行控制模块通过所述第一接口连接。
[0010]在一些可选的实施例中，所述身份信息包括:身份代码、信用状况、无人机所在位置的经玮度及无人机所在位置的高度。
[0011]在一些可选的实施例中，所述9轴传感器包括:三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁强计及滤波电路。
[0012]在一些可选的实施例中，所述9轴传感器为BN0055传感器。
[0013]在一些可选的实施例中，所述的一种适用小型无人机的飞控设备，还包括:存储器，所述存储器与所述飞行控制模块连接，用于记录无人机的飞行状态及飞行故障信息，所述存储器为移动硬盘、SD卡、U盘或云存储系统。
[0014]本发明所带来的有益效果:集成自主导航控制、远程空管通信、姿态推算、电子身份认证功能，实现无人机的全自主飞行和航空管制功能，有利于促进无人机小型化;包含的电子身份认证模块结合地面协同空管平台，可以彻底解决无人机“黑飞”普遍，申报飞行计划不畅，空中监管难的问题，方便管控，促进无人机行业有序且健康的发展。
【附图说明】
[0015]图1是本发明一种适用小型无人机的飞控设备的示意图。
【具体实施方式】
[0016]以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。
[0017]如图1所示，在一些说明性的实施例中，提供一种适用小型无人机的飞控设备，包括:实时处理模块1、飞行控制模块2、姿态推算模块3、复合通信接口 4、存储器5、电子身份认证模块6、智能导航模块7、执行机构8及动力系统接口 9。存储器5与飞行控制模块2连接，用于记录无人机的飞行状态及飞行故障信息，存储器5为移动硬盘、SD卡、U盘或者云存储系统。飞行控制模块2采用自适用控制方法，即根据负载和结构自主调整飞行器控制参数。
[0018]智能导航模块7与实时处理模块I连接，包含GPS导航、视觉导航、激光导航，根据无人机所处的外界环境选择导航方式，执行机构8及动力系统接口 9与飞行控制模块2连接，对无人机进行控制。
[00?9] 实时处理模块I用于处理数据，内置Cortex_A9内核处理器，Cortex_A9内核处理器支持Linux操作系统及Android操作系统，设置有TF/SD卡接口和数字摄像头接口，支持4G、WiFi和LAN上网。飞行控制模块2通过第一接口与实时处理模块I连接，第一接口为UART接口、SPI接口或IIC总线。飞行控制模块2包含一个Cortex-M4处理器，用于无人机自主飞行控制，实时处理模块I将接收到的地面协同空管系统指令通过第一接口传送至飞行控制模块2，指示无人机做下一步动作。
[0020]复合通信接口4用于与地面协同空管系统进行通讯，包括:公网通信单元41、北斗卫星通信单元42及无线局域网通信单元43，即采用公网通信方式与北斗卫星复合通信方式结合的方式进行通讯，并且无线局域网通信单元43可以通过WIFI与地面协同空管系统的手机进行通信。公网通信单元41通过2.5G、3G或4G网络与地面协同空管系统进行通讯，北斗卫星通信单元42通过北斗卫星发送报文的方式与地面协同空管系统进行通讯。复合通信接口4与实时处理模块I连接，在公网信号差的地方采用北斗卫星报文发送功能，通过这两种复合通信接口将无人机的飞行状态和身份信息发送到地面协同空管系统，并且，实时处理模块I通过复合通信接口 4接收地面协同空管系统的指令。
[0021]电子身份认证模块6与实时处理模块I连接，将自身存储的身份信息通过复合通信接口 4按一定的周期不断地发送至地面协同空管系统，地面协同空管系统自动识别无人机的身份信息，地面协同空管系统接收到身份信息后根据预先申报的内容向无人机发送下一步的动作指令。其中，周期依据实际情况进行设定，身份信息包括:身份代码、信用状况、无人机所在位置的经玮度及无人机所在位置的高度。身份代码是无人机对应的唯一标识码，该标识码用于作为无人机管控系统中的管理代号，是无人机协同管控的重要依据，电子身份认证模块6通过相关的协议实现身份信息的读取。
[0022]姿态推算模块3与飞行控制模块2连接，用于测量无人机的横滚角、俯仰角和航向角并估算出姿态角，包括:9轴传感器、气压计、GPS接口、扩展卡尔曼滤波器、输出接口及电源。9轴传感器包括:三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁强计及滤波电路，气压计用来测算无人机的飞行高度，GPS接口外接GPS接收机，通过GPS接收机获得无人机的经玮度，使用GPS信息进行无人机的速度和位置控制。9轴传感器采集的数据经过扩展卡尔曼滤波器实时估算出无人机的姿态角，姿态角得角度信息直接可供消费级无人机使用。姿态推算模块3与飞行控制模块2连接，将估算出的姿态角发送至飞行控制模块2，9轴传感器、气压计和GPS接口连接至扩展卡尔曼滤波器的输入端，输出接口连接至扩展卡尔曼滤波器的输出端。扩展卡尔曼滤波器通过输出接口将自身估算出的姿态角发送至飞行控制模块2，输出接口为UART串口或CAN总线接口。
[0023]地面协同空管系统用于实现无人机的飞行任务、空域、飞行时间、飞行地点的申报，当发现无人机超出飞行范围时，通过地面协同空管系统发送返航指令给空中无人机飞行到安全区域或者返航。地面协同空管系统实现飞行申报的身份验证、飞行计划的审核批准功能，由操作员输入飞行计划，主要包括飞行任务、空域申报、飞行时间段、飞行器型号，地面协同空管系统进行审批并在实际的飞行过程中对无人机进行实时监控。
[0024]其中，实时处理模块1、飞行控制模块2、姿态推算模块3及电子身份认证模块6通过系统级封装(SIP，System In a Package)方式集成在一个封装内，从而实现完整的无人机飞控功能，芯片内部集成9轴传感器用于姿态测量，姿态推算模块3根据9轴传感器输出的角速度、加速度和地磁信号，采用扩展卡尔曼滤波器推算无人机的姿态角。即将实时处理器、内存、存储器、传感器都集成到了单一封装内，体积小、系统简洁，将飞行控控制、导航、电子身份认证通过SIP工艺整合到单一封装内，大幅减少PCB电路板的使用量，缩小系统体积，提高电磁抗干扰性。集成简单，降低无人机开发门槛。并且，芯片预留模数转换接口，方便用户根据实际需要外部扩展高精度传感器。
[0025]9轴传感器为BN0055传感器，价格低廉，并且可以集成到芯片内，使用扩展卡尔曼滤波算法估算姿态角，其输出角度信息供飞控计算使用。
[0026]本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
【主权项】
1.一种适用小型无人机的飞控设备，其特征在于，包括:处理数据的实时处理模块、用于无人机自主飞行控制的飞行控制模块、姿态推算模块、与地面协同空管系统进行通讯的复合通信接口、电子身份认证模块、智能导航模块、执行机构及动力系统接口，通过系统级封装方式将所述实时处理模块、飞行控制模块、姿态推算模块、电子身份认证模块集成在一个封装内；所述复合通信接口与所述实时处理模块连接，所述实时处理模块通过所述复合通信接口接收地面协同空管系统的指令并通过第一接口传送至所述飞行控制模块;所述电子身份认证模块与所述实时处理模块连接，所述电子身份认证模块将自身存储的身份信息通过所述复合通信接口按一定的周期不断地发送至地面协同空管系统;所述智能导航模块与所述实时处理模块连接，根据无人机所处的外界环境选择导航方式;所述姿态推算模块用于测量无人机的横滚角、俯仰角和航向角并估算出姿态角，包括:9轴传感器、气压计、GPS接口、扩展卡尔曼滤波器及输出接口，所述姿态推算模块与所述飞行控制模块连接，将估算出的姿态角发送至所述飞行控制模块，所述9轴传感器、气压计和GPS接口连接至所述扩展卡尔曼滤波器的输入端，所述输出接口连接至所述扩展卡尔曼滤波器的输出端，所述姿态推算模块通过所述GPS接口外接GPS接收机。2.根据权利要求1所述的一种适用小型无人机的飞控设备，其特征在于，所述扩展卡尔曼滤波器通过所述输出接口将自身估算出的姿态角发送至所述飞行控制模块，所述输出接口为UART串口或CAN总线接口。3.根据权利要求1所述的一种适用小型无人机的飞控设备，其特征在于，所述通信接口包括:公网通信单元、北斗卫星通信单元及无线局域网通信单元，所述公网通信单元通过2.5G、3G或4G网络与地面协同空管系统进行通讯，所述北斗卫星通信单元通过北斗卫星发送报文的方式与地面协同空管系统进行通讯，所述无线局域网通信单元与手机进行通信。4.根据权利要求1所述的一种适用小型无人机的飞控设备，其特征在于，所述第一接口为UART接口、SPI接口或IIC总线，所述实时处理模块与所述飞行控制模块通过所述第一接口连接。5.根据权利要求1所述的一种适用小型无人机的飞控设备，其特征在于，所述身份信息包括:身份代码、信用状况、无人机所在位置的经玮度及无人机所在位置的高度。6.根据权利要求1所述的一种适用小型无人机的飞控设备，其特征在于，所述9轴传感器包括:三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁强计及滤波电路。7.根据权利要求5所述的一种适用小型无人机的飞控设备，其特征在于，所述9轴传感器为BN0055传感器。8.根据权利要求1所述的一种适用小型无人机的飞控设备，其特征在于，还包括:存储器，所述存储器与所述飞行控制模块连接，用于记录无人机的飞行状态及飞行故障信息，所述存储器为移动硬盘、SD卡、U盘或云存储系统。
【文档编号】G05D1/10GK106054909SQ201610489725
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】王伟, 杜浩, 王平玲, 朱明勋
【申请人】江苏中科院智能科学技术应用研究院