嵌入式飞行控制器的制作方法

本发明涉及一种飞行控制器，特别是一种嵌入式飞行控制器。

背景技术：

飞行器是一种能在空中飞行的机器人，作为被控对象其自身的稳定性受其结构特征和外部干扰的影响。当飞行器不装备控制器时是很难稳定飞行至目的地，特别是旋翼飞行器。飞行器自身不稳定性会导致机毁人亡，故需要设计一种能起稳定作用的控制器装置，实现飞行器按任务要求完成飞行之目的。飞行器通过垂直起降、悬停、低空飞行，以及高速巡航等任务实施，快速有效地完成飞行任务，使飞行器在兵力快速部署、登陆作战以及民用救灾/抢险等领域中发挥特定的作用，必须需要设计一套具有自动控制能力的控制器装置，该控制器装置的设计发明成果具有广阔的应用前景。

近年来，无人飞行器的研究和发展得到了人们的重视。随着各类消费级产品的出现，无人机渐渐走进了人们的视野，进入了人们的日常生活中。无人飞行器已经被广泛应用在诸多领域，包括影视行业、科学研究、事故救助、电力巡线等。作为无人飞行器的大脑控制中枢，嵌入式飞行控制器装置用来确保飞行器稳定性和操纵性的核心装置，对飞行器的飞行品质与飞行效率的提高、飞行器安全性的增强、地面操控人员的负担减轻、整个飞行任务的快速有效完成具有无法取代的作用。

嵌入式飞行控制器是用于执行指定独立控制功能并具有复杂方式处理数据能力的控制系统处理部件。由微处理器芯片、定时器、序列发生器或控制器等一系列微电子器件组成的电子设备或装置，与外部航电设备一起完成监视、控制等各种自动化处理任务。随着技术发展，飞行器飞行控制系统设计越来越趋于小型化、智能化，要求飞行控制器装置的功耗低、体积小、重量轻，与航电设备的接口方式灵活方便。而现有的嵌入式飞行控制器存在着功能固定、与外接设备连接不方便、扩展性不强的缺陷，难以适应工程应用和技术发展的需要及时升级。

技术实现要素：

发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种嵌入式飞行控制器，解决了传统嵌入式控制器功能固定、扩展性不强的缺陷，可根据工程应用和技术发展的需要及时升级飞行控制器装置，可方便快捷的与多种外接传感器、控制驱动执行器等设备连接，更好的满足了各类飞行器飞行控制系统控制器硬件设备配置的需要。

技术方案：本发明所述的嵌入式飞行控制器，包括了核心控制板、模式配置板和内部总线；

所述的核心控制板进行数据处理和控制，设置有处理器、数据存储器、遥控信号接收单元、控制输出驱动单元和内部总线接口；

所述的模式配置板用于连接功能模块，并将功能模块与核心控制板相连接，设置有通信单元、控制输出接口、系统供电单元和内部总线接口；

所述的内部总线用于连接核心控制板和模式配置板。

进一步的，所述核心控制板的处理器单元使用stm32f405zgt6微处理器，所述遥控器信号接收单元包括sbus串行总线输入和多路并行输入通道，所述控制输出驱动单元同时驱动多个执行机构。

进一步的，所述模式配置板上的通信单元为串行数据通信单元，包括了异步串行通信总线、spi总线、i2c总线和can总线的一种或多种，所述的异步串行通信总线具有ttl电平接口和rs232电平接口，经由max3232cse芯片实现串行数字信号电平转换。

进一步的，所述的模式配置板还设置有惯性导航测量单元，惯性导航测量单元为内置或者外置，内置的惯性导航测量单元为mpu9250惯性测量单元，外置的惯性导航测量单元通过所述的通信单元与模式配置板连接。

进一步的，所述模式配置板的还设置有gps导航测量单元，gps导航测量单元为内置或者外置，内置的gps导航测量单元使用oem615gps功能模块，外置的gps导航测量单元通过所述的通信单元与模式配置板连接。

进一步的，所述模式配置板的还设置有转速测量单元，所述的转速测量单元包括4个转速测量通道，为转速闭环控制提供精确转速测量。

进一步的，所述模式配置板的还设置有电压监测信号调理单元，电压监测信号调理单元为4路，对系统电源和动力电源因检测需要进行调理，并对外置所需测量模拟电压信号进行调理。

进一步的，所述的系统供电单元包括了15v/5v电源转换模块和5v/3.3v电源转换模块。

进一步的，所述的内部总线接口为板与板连接器，一侧为公头，另一侧为能够与公头对扣的母座，连接器由2对80芯排母排针、1对60芯排母排针实现板与板之间连接，内部总线的有效信号数为100路。

进一步的，所述通信单元的接口为microusb型接口，所述控制输出接口为2.54毫米弯型排针接口。

有益效果：本发明采用核心控制板和模式配置板结合方式，能够方便的实现不同构型(含新构型/变构型)飞行器的自动飞行控制，控制器具有功能丰富、扩展性强、结构简洁、成本节约、控制方便等优点，无论是应用于小型无人飞行器，还是应用于其它不同构型的飞行器，只需对其模式配置板进行选择配置，可方便快捷地与多种不同的外接传感器、控制驱动执行器等设备连接，实现飞行器自动飞行控制，还可方便组成多功能网络化多处理器飞行控制系统，满足大型飞行器或集群飞行器飞行控制系统硬件设备配置应用需要。

附图说明

图1是本发明装置配置示意图；

图2是核心控制板正面设计图；

图3是核心控制板反面设计图；

图4是模式配置板正面设计图；

图5是模式配置板反面设计图；

图6是内部总线分类设计图。

具体实施方式

如图1所示，本嵌入式飞行控制器装置由核心控制板1、模式配置板2、外置的功能模块及相关接口构成。装置应用于飞行器时，核心控制板1和模式配置板2结合在一起，模式配置板2可以安装内置惯性功能模块62和内置gps功能模块3，也可以安装外部功能模块，比如与外部航电设备遥控器100、外置惯性功能模块200、外置gps功能模块201、外置通信功能模块202通过本装置的接口连接。如此应用能够方便实现飞行器自动飞行控制，解决了当前市场产品飞行控制器功能固定、扩展性不强的问题，有效解决了不同构型飞行器飞行控制系统控制性能指标要求的不同性问题。

核心控制板1的正面设计框图如图2所示，核心控制板1上设计有微处理器10、遥控接收器11、控制输出驱动单元20、sd数据存储器24、内部总线接口21、22、23、程序写入接口17、18、多组状态指示灯12、13、19、蜂鸣器16、信号整形调理电路14。微处理器10使用stm32f405zgt6微处理器，具有浮点运算功能，能快速处理大量传感器数据、高性能飞行控制律运算，同时具有丰富的外设接口，通过内部总线方便与外设输入输出设备进行接口。状态指示灯设计为4组三色灯12、6组单色灯13和1组系统心跳灯19。写入器设计有二种方式，一种是jtag模式17，另一种是串口模式18。遥控器信号接收单元11设计为sbus总线和1-9遥控器信号接收通道，兼容市面上几乎所有遥控器接收机。

如图3所示为核心控制板1的反面设计框图，内部总线接口布局在此面，用3个接口21、22、23安排100条内部信号线，确保结构、信号传输可靠无误。控制输出驱动单元20设计有16路控制输出驱动通道，用74hc14芯片对输出信号进行调理，确保控制输出的可靠性。sd数据存储器24以最有效的响应速度与微处理器最小系统接口。

如图4和图5所示，模式配置板2设计有内置航姿惯性测量单元、内置gps功能模块单元、可外置姿惯性测量单元接口、可外置gps功能模块单元接口，转速测量单元、电压监测信号调理单元、系统与动力供电单元、不同类型的串行数据通信接口、控制输出驱动接口。内部总线接口31、32、33设计在模式配置板的正面，与核心控制板反面的3个接口21、22、23对扣。

内置惯性测量单元30、49设计用mpu9250芯片(含三轴磁强矢量的九轴输出)、ms5611芯片，外置航姿惯性测量单元200可选配符合模式配置板接口要求的航电传感器，两传感器可通过数据融合，得到测量精度更高的飞行器惯性导航信息，满足不同飞行器对自动飞行控制的高控制性能要求。内置gps导航测量单元设计3可用oem615或者oem618gps等部件，外置gps导航测量单元201可选配符合模式配置板接口要求的航电传感器，两传感器可通过数据融合，得到测量精度更高的飞行器gps导航信息，满足不同飞行器对自动飞行控制的高控制性能要求。

模式配置板串行数据通信单元设计有6个通用异步收发传输器，经由内部总线接口进入核心控制板的微处理器最小系统。内部总线上的串行数据通信信号为ttl电平，每个串行数据通信信道上设计为2种信号电平接口，1种是ttl电平的接口为正面的连接器36至41，1种是rs232电平的接口是反面的连接器52至57，使用max3232cse芯片34实现ttl电平信号与rs232电平信号间的转换，满足了不同传感器对接口电平的要求。

模式配置板串行数据通信单元设计有1路spi总线接口42、1路i2c总线接口44、1路can总线接口47，满足了不同航电设备对接口电平的要求。

模式配置板控制输出驱动接口设计有16路，其中6路布局在配置板的左侧45，10路布局在配置板的右侧46，功放电路设计在核心控制板上20，由内部总线直接输出到控制输出驱动接口，可满足多种不同构型飞行器对控制输出信道数量的要求。反向器61设计满足了不同飞行控制系统控制电平需求。

模式配置板转速测量单元设计有4路转速测量通道，可同时对4个电机的转速进行测量，与被测对象连接的接口43、59设计在模式配置板上，信号整形调理电路14设计在核心控制板上。设计有4路检测模拟电压调理电路35，检测电压外接接口设计在反面58、60，可实现对模拟信号的检测。电压监测信号调理单元设计有4路，除对系统电源和动力电源因检测需要进行调理外，还可对外置所需测量模拟电压信号进行调理。16路控制输出信号经由输出接口连接器直接驱动执行舵机。5路反向器用于飞行控制系统不同输出电平要求。

系统电源和动力电源供电单元设计有2个12v至5v电压转换模块50、51和1个5v至3.3v电压转换模块15，满足执行器、相关元器件对电源要求。所述模式配置板系统电源既可直接加载5v直流电，也可加载12v直流电，12v系统电源经由12v/5v电源转换模块为装置提供工作电源，再经由5v/3.3v电源转换模块为相关器件提供3.3v电源。驱动飞行器飞行的舵机/电机动力电源与系统电源独立供电，经由电压转换提供动力驱动电压。系统电源和动力电源均能自动检测。

如图6所示，核心控制板和模式配置板之间设计用0.6毫米间距的板对板连接器80芯2对、60芯1对进行连接，相对的2芯传输1路内部总线信号，确保板对板之间信号传输的可靠，。与外部设备之间的连接器有microusb连接器，分别为板正面的36至43和反面的52至60、2.54毫米间距的弯型排针45和46、2.0毫米间距的弯型排针44和48等接口形式。