数据通信装置、方法及无人机与流程

本发明涉及数据通信领域，具体而言，涉及一种数据通信装置、方法及无人机。

背景技术：

目前在云台和电子稳像共同应用时，一般云台控制系统独立于飞控系统，二者具有独立的处理器、，且二者共用姿态传感器、数据。在飞控处理器与姿态传感器进行数据通信后，再将姿态传感器的数据传输给云台控制系统进行处理，飞控使用姿态传感器的数据进行电子稳像的处理，云台使用姿态传感器的数据进行云台的增稳控制，二者共用同一个姿态传感器的数据。

因为飞控处理器读取到姿态传感器的数据，并通过串口或其他通信协议将数据传输给云台控制系统，所以云台控制系统获取的数据存在一定的延时情况，而这个延时使得云台增稳控制处于滞后状态，云台控制系统存在本质的问题，不具有实时性。

因此，如何实现搭载云台的无人机中各个控制系统获取数据的实时性，是目前急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种数据通信装置、方法及无人机，以改善上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种数据通信装置，所述装置包括：飞控模块、云台控制模块以及传感器模块，所述飞控模块分别与所述传感器模块、所述云台控制模块耦合，所述传感器模块与所述云台控制模块耦合；所述传感器模块，用于获取云台摄像头的角度姿态信号；所述飞控模块，用于向所述传感器模块以及所述云台控制模块输出片选信号；所述云台控制模块，用于根据所述片选信号将所述云台控制模块的工作状态设置为数据接收状态；所述传感器模块，还用于根据所述片选信号通过串行通讯协议同时向所述飞控模块与所述云台控制模块发送所述云台摄像头的角度姿态信号。

第二方面，本发明实施例提供一种无人机，包括无人机本体、云台、云台摄像头和数据通信装置，所述云台摄像头安装在所述云台上，所述云台安装在所述无人机本体上，所述云台控制模块设置于所述云台上，所述传感器模块设置与所述云台摄像头上，所述飞控模块设置于所述无人机本体上。

第三方面，本发明实施例提供一种数据通信方法，应用于数据通信装置，所述方法包括：所述传感器模块获取云台摄像头的角度姿态信号；所述飞控模块向所述传感器模块以及所述云台控制模块输出片选信号；所述云台控制模块根据所述片选信号将所述云台控制模块的工作状态设置为数据接收状态；所述传感器模块根据所述片选信号通过串行通讯协议同时向所述飞控模块与所述云台控制模块发送所述云台摄像头的角度姿态信号。

本发明实施例提供一种数据通信装置、方法及无人机，通过所述飞控模块分别与所述传感器模块、所述云台控制模块耦合，所述飞控模块可以分别向所述传感器模块以及所述云台控制模块输出片选信号，使得所述云台控制模块根据所述片选信号将所述云台控制模块的工作状态设置为数据接收状态，通过所述传感器模块与所述云台控制模块耦合，从而所述传感器模块可以根据所述片选信号通过串行通讯协议同时向所述飞控模块与所述云台控制模块发送获取的所述云台摄像头的角度姿态信号，则所述飞控模块与所述云台控制模块可以同时获取所述传感器模块发送的云台摄像头的角度姿态信号，从而提高了无人机中各个控制模块获取数据的实时性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种无人机的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种数据通信装置的结构框图；

图3为本发明实施例提供的一种数据通信装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种数据通信装置的数据传输示意图；

图5为本发明实施例提供的一种数据通信方法的流程图。

图标：200-无人机；210-无人机本体；220-云台；230-云台摄像头；100-数据通信装置；110-飞控模块；120-云台控制模块；130-传感器模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“耦合”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种无人机200的结构示意图，所述无人机200包括无人机本体210、云台220、云台摄像头230和数据通信装置100。

其中，当所述无人机200在需要进行航拍时，所述云台220可以安装在所述无人机本体210上，所述云台摄像头230安装在所述云台220上，所述云台控制模块120设置于所述云台220上，用于对云台220进行增稳控制，所述传感器模块130设置与所述云台摄像头230上，用于获取云台摄像头230的角度姿态信号，所述飞控模块110设置于所述无人机本体210上，用于根据所述传感器模块130获取的数据进行电子稳像的处理。

请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种数据通信装置100的结构框图。所述数据通信装置100包括：飞控模块110、云台控制模块120以及传感器模块130，所述飞控模块110分别与传感器模块130和所述云台控制模块120耦合，所述传感器模块130与所述云台控制模块120耦合。

当所述无人机200在上电启动时，所述飞控模块110，用于向所述传感器模块130以及所述云台控制模块120输出片选信号。在无人机200的飞控模块110中，飞控模块110是指无人机200的飞行控制系统，主要包括陀螺仪、加速计、地磁感应、控制电路或GPS模块，其主要的功能就是保持无人机200的正常飞行姿态以及实现其他功能。

作为一种实施方式，所述飞控模块110可以是处理器，该处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。上述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。其可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。在本实施例中，所述飞控模块110为单片机，该单片机可以为STM32系列单片机，该STM32系列单片机具有高性能内核、低功耗、高集成度以及结构简单等优点，并具有高速的数据处理能力。

所述云台控制模块120，用于根据所述片选信号将所述云台控制模块120的工作状态设置为数据接收状态。

其中，所述片选信号可以为一个电平信号，例如高电平或低电平。低电平表示电压值低于第一数值的电压，第一数值为行业内的一个常用数值。例如，一般对于TTL电路来说，第一数值为0.0V-0.4V，而对于CMOS电路来说，第一数值为0.0-0.1V。本发明实施例中，优选地，第一数值为0V，即低电平为0V。高电平表示电压值高于第二数值的电压，第二数值为行业内的一个常用数值。例如，一般对于TTL电路来说，第二数值为2.4V-5.0V，而对于CMOS电路来说，第二数值为4.99-5.0V。本发明实施例中，优选地，第二数值为3.3V，即高电平为3.3V。

其中，云台控制模块120的工作状态包括：等待状态和数据接收状态。例如，当云台控制模块120的工作状态处于等待状态时，这时云台控制模块120不接收数据，只有当云台控制模块120接收到飞控模块110发送的片选信号时，云台控制模块120的工作状态由等待状态转换为数据接收状态；当云台控制模块120的工作状态处于数据接收状态时，云台控制模块120能够接收传感器模块130的输出的数据并将数据存储。

作为一种实施方式，本发明实施例中，云台控制模块120与传感器模块130之间的数据通信采用串行通讯协议，则所述云台控制模块120的工作状态处于数据接收状态时为片选状态。

具体地，所述串行通讯协议，在本实施例中，是指SPI通信协议，其中SPI是英文Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。SPI接口主要应用在 EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，还是一种高速的、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。

SPI以主从方式工作，这种模式通常有一个主机和一个或多个从机，需要至少4根线，事实上当数据单向传输时，3根线也可以的，这也是所有基于SPI的设备共有的，这4根线分别是SDI、SDO、SCK、CS。其中，SDI表示主机数据输入，从机数据输出；SDO表示主机数据输出，从机数据输入；SCLK表示时钟信号，由主机产生；CS表示从机的片选信号，该片选信号由主机控制。

其中，CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号（高电平或低电平）时，对此芯片的操作才有效。在本发明实施例中，所述云台控制模块120的工作状态处于数据接收状态即片选状态时，是指所述飞控模块110输出的片选信号为低电平0V，并将该片选信号分别发送给所述传感器模块130与所述云台控制模块120，这时所述传感器模块130与所述云台控制模块120均处于片选状态，从而传感器模块130可以发送数据，云台控制模块120可以接收数据，当所述云台控制模块120的工作状态处于等待状态时，也就是没有处于片选状态时，这时所述云台控制模块120没有接收到所述飞控模块110发送的片选信号或者所述云台控制模块120接收到所述飞控模块110发送的错误的片选信号，即片选信号为高电平时，则所述传感器模块130不会发送数据，而所述云台控制模块120也就不接收数据了。

所以，根据片选信号，SPI协议中允许在同一总线上连接多个SPI设备。因为基于SPI协议的数据是一位一位的传输的，这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI、SDO则基于此时钟脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取，从而完成一位数据传输，输入也使用同样原理。

作为一种实施方式，所述云台控制模块120可以是处理器，该处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。上述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器、网络处理器等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。其可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。在本实施例中，所述云台控制模块120为单片机，该单片机可以为STM32系列单片机。

所述传感器模块130，用于获取所述云台摄像头230的角度姿态信号，以及用于根据所述片选信号通过串行通讯协议同时向所述飞控模块110与所述云台控制模块120发送所述云台摄像头230的角度姿态信号。

无人机200在飞行过程中进行拍摄时，无人机200的云台摄像头230的角度姿态会有偏转或晃动，这就需要实时地获取云台摄像头230的角度姿态信号，飞控模块110根据该云台摄像头230的角度姿态信号实时地进行电子稳像的处理，云台控制模块120根据该云台摄像头230的角度姿态信号实时地进行云台220的增稳控制，该云台摄像头230的角度姿态，是指无人机200在飞行过程中云台摄像头230处于的各种角度，例如，45度、80度等。

作为一种实施方式，所述传感器模块130可以为MPU6500六轴传感器，该六轴传感器是由三轴加速器和三轴螺旋仪组成，它的使用主要是靠三轴加速器来完成的：(1)三轴加速器首先监测横向加速，再监测角度旋转和平衡；(2)三轴加速器就是感应XYZ（立体空间三个方向，前后左右上下）轴向上的加速；(3)三轴陀螺仪是分别感应Roll（左右倾斜）、Pitch（前后倾斜）、Yaw（左右摇摆）的全方位动态信息。在本实施例中传感器模块130使用六轴传感器可更好更精确地获取所述无人机200的姿态信号。

请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种数据通信装置100的结构示意图。所述飞控模块110包括第一触发端CS1、第一数据接收端MISO1、第一数据发送端MOSI1以及第一时钟端CLK1，其中，第一触发端CS1用于输出片选信号；第一数据接收端MISO1在SPI协议中表示主机接收数据，从机发送数据；第一数据发送端MOSI1在SPI协议中表示主机发送数据，从机接收数据；第一时钟端CLK1用于输出时钟信号。

所述传感器模块130包括第二触发端CS2、第二数据发送端MISO2、第二数据接收端MOSI2以及第二时钟端CLK2，其中，第二触发端CS2用于接收所述飞控模块110发送的片选信号；第二数据发送端MISO2在SPI协议中表示从机发送数据，主机接收数据；第二数据接收端MOSI2在SPI协议中表示从机接收数据，主机发送数据；第二时钟端CLK2用于接收所述飞控模块110发送的时钟信号。

所述云台控制模块120包括第三触发端CS3、第三数据接收端MOSI3以及第三时钟端CLK3，其中，第三触发端CS3用于接收所述飞控模块110发送的片选信号；第三数据接收端MOSI3在SPI协议中表示从机接收数据，主机发送数据；第三时钟端CLK3用于接收所述飞控模块110发送的时钟信号。

所述飞控模块110的所述第一触发端CS1与所述传感器模块130的所述第二触发端CS2通过上述SPI中的CS线连接，所述云台控制模块120的所述第三触发端CS3与所述飞控模块110的所述第一触发端CS1也通过上述SPI中的CS线连接。所述飞控模块110的所述第一触发端CS1用于向所述传感器模块130的第二触发端CS2与所述云台控制模块120的所述第三触发端CS3输出所述片选信号。

在本实施例中，所述飞控模块110向所述传感器模块130以及所述云台控制模块120输出片选信号，从而所述传感器模块130以及所述云台控制模块120为片选状态，即被选为从机，所述飞控模块110作为主机，所述飞控模块110可接收从所述传感器模块130发送的数据，而这时，所述云台控制模块120可以理解为它是作为所述传感器模块130虚拟意义上的主机，从而所以所述云台控制模块120也可接收从传感器模块130发送的数据。

作为一种实施方式，所述云台控制模块120与所述传感器模块130进行SPI通信时，所述云台控制模块120可利用其自带的SPI硬件资源，在飞控模块110与传感器模块130进行通信时，所述飞控模块110输出的片选信号会使云台控制模块120的工作状态自动进入数据接收状态，其接收数据可以采用接收中断进行处理，也就是可以用DMA(Direct Memory Access，直接内存存取)传输数据，DMA允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依赖于 CPU 的大量中断负载。否则，CPU 需要从来源把每一片段的资料复制到暂存器，然后把它们再次写回到新的地方。在这个时间中，CPU 对于其他的工作来说就无法使用，这样可以大大节约CPU的资源。

另外，所述云台控制模块120也可采用软件模拟SPI协议与传感器模块130进行通信，所述云台控制模块120可以接收到所述飞控模块110输出的片选信号，然后，所述云台控制模块120的工作状态进入数据接收状态，云台控制模块120以飞控模块110提供的时钟信号作为采样频率进行数据的接收。

在本实施例中，可根据实际情况，可以选择任一种云台控制模块120的SPI通信方式。

所述传感器模块130一般可同时发送14个字节的数据，所述云台控制模块120对于多字节数据的获取时，为了方便找到数据帧的顺序，当所述传感器模块130开始发送数据即传感器模块130接收到所述飞控模块110发送的片选信号时，使得云台控制模块120的第三触发端CS3产生下降沿中断，以显示新数据帧来临，从第一位开始接收全部数据，当云台控制模块120接收完成后，则重新等到新的数据帧的到来。

所述飞控模块110的所述第一数据接收端MISO1与所述传感器模块130的所述第二数据发送端MISO2通过上述SPI中的SDI线连接，所述云台控制模块120的所述第三数据接收端MOSI3与所述传感器模块130的所述第二数据发送端MISO2通过上述SPI中的SDO线连接。所述飞控模块110的所述第一数据发送端MOSI1与所述传感器模块130的所述第二数据接收端MOSI2通过上述SPI中的SDO线连接。

当云台控制模块120的第三触发端CS3接收到所述飞控模块110发送的所述片选信号时，此时将云台控制模块120的工作状态设置为数据接收状态，也就是说所述云台控制模块120的第三触发端CS3没有接收到所述飞控模块110发送的片选信号时，其第三数据接收端MOSI3为高阻态，当云台控制模块120的第三触发端CS3接收到所述飞控模块110发送的所述片选信号时，其第三数据接收端MOSI3由高阻态变为选通状态，从而所述云台控制模块120可从所述传感器模块130接收所述传感器模块130发送的云台摄像头230的角度姿态信号。

所述传感器模块130的所述第二数据发送端MISO2用于根据所述片选信号通过所述串行通讯协议同时向所述飞控模块110的第一数据接收端MISO1与所述云台控制模块120的所述第三数据接收端MOSI3发送所述云台摄像头230的角度姿态信号。

所述飞控模块110的所述第一时钟端CLK1与所述传感器模块130的所述第二时钟端CLK2通过上述SPI中的SCLK线连接，所述云台控制模块120的所述第三时钟端CLK3与所述飞控模块110的所述第一时钟端CLK1也通过上述SPI中的SCLK线连接，所述飞控模块110的所述第一时钟端CLK1用于向所述传感器模块130的第二时钟端CLK2与所述云台控制模块120的所述第三时钟端CLK3输出数据读取频率，所述数据读取频率为所述传感器模块130以及所述云台控制模块120接收所述云台摄像头230的角度姿态信号的频率。

作为一种实施方式，所述飞控模块110第一时钟端CLK1输出的数据读取频率为8KHz，该数据读取频率作为飞控模块110和云台控制模块120接收数据的频率以及传感器模块130发送数据的频率。

另外，所述串行通讯协议的时钟频率为9MHz，就是该SPI协议中数据传输的频率。

请参照图4，图4为本发明实施例提供的一种数据通信装置100的数据传输示意图。在飞控模块110输出的时钟信号的控制下，当飞控模块110输出的片选信号为低电平时，所述传感器模块130在检测到所述片选信号CS为低电平时并在时钟信号CLK的上升沿开始发送数据，所述云台控制模块120在检测到所述片选信号CS为低电平时并在时钟信号CLK的下降沿到来时开始接收数据，同时所述飞控模块110也开始接收数据。若所述传感器模块130在时钟信号CLK的上升沿开始发送的姿态信号S1为11010010，则如图4所示，所述飞控模块110与所述云台控制模块120在时钟信号CLK的下降沿开始接收的数据信号S2为11010010。

请参照图5，图5为本发明实施例提供的一种数据通信方法的流程图，所述数据通信方法具体包括如下步骤：

步骤S100：所述传感器模块获取云台摄像头的角度姿态信号。

步骤S200：所述飞控模块向所述传感器模块以及所述云台控制模块输出片选信号。

步骤S300：所述云台控制模块根据所述片选信号将所述云台控制模块的工作状态设置为数据接收状态。

步骤S400：所述传感器模块根据所述片选信号通过串行通讯协议同时向所述飞控模块与所述云台控制模块发送所述云台摄像头的角度姿态信号。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程，可以参考前述装置中的对应过程，在此不再过多赘述。

综上所述，本发明实施例提供一种数据通信装置无人机数据通信装置、方法及无人机，通过所述飞控模块分别与所述传感器模块、所述云台控制模块耦合，所述飞控模块可以分别向所述传感器模块以及所述云台控制模块输出片选信号，使得所述云台控制模块根据所述片选信号将所述云台控制模块的工作状态设置为数据接收状态，通过所述传感器模块与所述云台控制模块耦合，从而所述传感器模块可以根据所述片选信号通过串行通讯协议同时向所述飞控模块与所述云台控制模块发送获取的所述云台摄像头的角度姿态信号，则所述飞控模块与所述云台控制模块可以同时获取所述传感器模块发送的云台摄像头的角度姿态信号，从而提高了无人机中各个控制模块获取数据的实时性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。