一种模块化的多功能机载计算机体系的制作方法

本发明涉及机载计算机系统，特别涉及一种模块化的多功能机载计算机体系。

背景技术：

无人机技术方兴未艾，作为其中重要成员的多旋翼无人机技术发展迅速，随着行业技术不断发展，人们对模块化、多功能的成熟稳定型机载计算机系统的需求越来越高。

但目前的机载计算机系统大都是单计算机系统，携带传感器和载荷较少，无法实现高精度定位、避障、识别跟踪、执行动作等复杂功能，用途单一，无法灵活应对不同的任务环境及需求。

典型地实例是，在多旋翼无人机中，规划决策与姿态控制两个功能集成于同一计算平台，一方面，计算平台需要兼顾高算力及高控制输出频率，导致计算平台压力大；另一方面，系统模块化程度弱，不易检修和替换，且易导致当决策环节出现问题而使姿态控制失稳等系统工作安全性问题。此外，目前常见的机载计算机系统传感器较为单一，对姿态及环境感知能力较弱，无法适应复杂多变的任务环境。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明人进行了锐意研究，发现将计算机控制系统、传感定位系统、数据通信、视觉系统、电源管理等多个模块有效组合，形成模块化的多功能机载计算机系统，其运行稳定，能执行多种任务，如在复杂环境中自主决策飞行、识别跟踪目标等操作，能灵活应对多变环境，从而完成本发明。

本发明的目的在于提供一种模块化的多功能机载计算机体系，包括：

计算机控制系统，包括主控计算机和姿态控制计算机，用于稳定及控制多旋翼无人机位置和姿态，处理定位系统及视觉系统提供的数据信息，根据外界信息完成避障、路径规划、追踪等任务的决策制定；

传感系统，用于测量/获得多旋翼无人机相对于惯性系的加速度、角速度等；定位系统，如外置差分gps模块，用于确定多旋翼无人机的位置；

视觉系统，用于搜索、识别并追踪目标，识别障碍物并获取相关的深度信息；

数据通信系统，用于多旋翼无人机与地面站之间的关键数据传输，如机载摄像头图像数据、多旋翼无人机位置姿态信息及地面站指令等，并用于地面站对多旋翼飞行状态进行监视和对关键决策进行控制；

电源管理系统，用于为多旋翼无人机整体系统进行供电，包括用于驱动电调电机等动力设备的高压动力电及维持机载电子设备运行的低压电。

采用本发明的机载计算机系统的多旋翼无人，还包括动力系统，包括电子调速器、无刷电机、螺旋桨等部分，通过pwm引脚与姿态控制计算机连接，接受pwm控制信号并驱动电机旋转产生升力。

在本发明中，通过将各系统模块有效组合获得的多功能机载计算机体系，具有以下优点：

(1)使用双计算机系统，各自执行任务并互不干扰，保证在作为主控计算机的高性能计算机出现问题时控制计算机不受影响，从而保证多旋翼无人机姿态始终保持稳定，提高系统安全性。

(2)能够实现自动避障功能，保证多旋翼无人机在复杂多变环境中的适应能力。

(3)使用双光光电吊舱，可以在可见光及红外光两种情况下进行大范围视场搜索，并可以在确定目标后对目标进行稳定跟踪。

(4)能够通过数传电台对多机协同搜索共享数据，从而为多机联合执行任务提供基础。

(5)使用外置差分gps及视觉惯性里程计双定位方式冗余的设计，既能在正常使用环境中对定位数据互相修正，又能保证在强电磁干扰或gps拒止的环境中保证无人机的定位准确。

附图说明

图1示出本发明优选实施方式的模块化的多功能机载计算机体系示意图。

图2示出本发明优选实施方式的主控计算机的示意图。

图3示出本发明优选实施方式的姿态控制计算机的示意图。

图4示出本发明优选实施方式的光电吊舱的示意图。

图5示出本发明优选实施方式的避障相机的示意图。

图6示出本发明优选实施方式的差分gps模块的示意图。

图7示出本发明优选实施方式的动力系统的示意图。

图8示出本发明优选实施方式的传感系统的示意图，其中imu包括三轴加速度计和三轴陀螺仪。

图9示出本发明优选实施方式的数传电台的示意图。

图10示出本发明优选实施方式的电源管理系统的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施方式对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点随着这些说明将变得更为清楚、明确。

在本发明中，计算机控制系统，用于稳定及控制多旋翼无人机的位置和姿态，处理定位系统及视觉系统提供的数据信息，根据外界信息完成避障、路径规划、追踪等任务的决策及规划。所述计算机控制系统包括主控计算机和姿态控制计算机。

现有技术中常见的机载计算机控制系统，一般只有姿态控制计算机，如选用pixhawk飞控完成姿态控制和航点飞行，或采用单计算机同时作为主控计算机与姿态控制计算机，如高通的snapdragonflightautopilot，本发明设计的计算机控制系统使用主控计算机与姿态控制计算机双计算机的设计，具有以下优点：

(1)使用主控计算机作为高性能处理计算机，完成如路径规划、图像识别、避障算法等复杂算法。选用高性能计算平台，搭载实时操作系统及图形界面，一方面能够便于用户与任务系统高效交互；另一方面保证了复杂算法的可靠性和可移植性。

(2)使用姿态控制计算机作为高频控制计算机，完成如姿态稳定控制，位置姿态解算等需要高频率处理算法。选用高稳定性高信号输出频率的嵌入式系统，一方面能够高频率处理外界传感器的数据，保证数据的实时性，避免数据时延造成的控制效果变差的情况；另一方面，能够高频率输出控制信号，保证了控制系统带宽，确保控制频率满足要求。

(3)主控计算机与姿态控制计算机之间相互独立，互不干扰，在主控计算机因运行复杂算法而宕机，无法输出控制指令时，姿态控制计算机仍能正常运行，保证多旋翼无人机自身姿态稳定。确保整体多旋翼无人机的稳定性。

(4)主控计算机与姿态控制计算机的算法独立运行，主控计算机以较低频率运行算力需求高、实时性要求低的复杂算法，同时姿态控制计算机独立以较高频率运行算力需求低、但实时性要求高的简单算法，而不会被主控计算机复杂算法阻塞。如主控计算机算法运行频率约为10hz到30hz，无法满足算法运行频率通常至少为50hz以上的姿态控制系统设计指标要求，而本发明中姿态控制计算机算法运行频率最快可以达到100hz，能够保证控制系统运算频率满足设计指标要求。

(5)双计算机系统的设计，能够大大提升机载计算机系统的可维护性，当姿态控制计算机的受损后，只需要更换姿态控制计算机而无需更换计算机控制系统，大大减少了系统维修成本。

在本发明的优选实施方式中，主控计算机与姿态控制计算机通过ttl电平串口连接，主控计算机接收姿态控制计算机的多旋翼无人机位置姿态状态等信息，并向姿态控制计算机发送位置姿态控制指令。

在本发明中，主控计算机为多旋翼无人机任务系统提供高性能的计算机硬件资源和丰富的通信接口，可以采用适用于航空领域的计算机，不过优选采用jetsontx2作为高性能机载计算机，这是由于其卓越的速度和较低的功耗。该高性能机载计算机采用nvidiapascalgpu、高达8gb内存、59.7gb/s内存带宽，提供丰富的标准硬件接口，完美适配各类产品和外形规格，实现真正意义上的ai计算终端。相较于其他机载计算平台，如intelcomputestick、树莓派等，jetsontx2具有尺寸小，功耗低，计算算力高等特点。因此，该高性能机载计算机适合于完成决策规划、导航制导、协同搜索、避障、图象处理及识别等多重功能。jetsontx2主要包括核心计算模块、上层接口扩展板、散热风扇等部分，通过扩展板的ttl电平串口针脚与姿态控制计算机连接，接收多旋翼无人机位置姿态状态等信息，并发送位置姿态控制指令；通过扩展板的rs232或sdi接口与双光光电吊舱连接，接受图像信息，并发送对光电吊舱的控制指令；通过扩展板的usb接口与避障相机连接，接受障碍物的深度信息。

在本发明中，姿态控制计算机用于确保飞行器的稳定性和操纵性、提高完成任务的能力与飞行品质、增强飞行的安全及减轻驾驶员负担。在本发明中，优选选用pixhawk姿态控制计算机，其作为高频率嵌入式设备作为下位机，其接受上位机控制指令，对姿态进行稳定控制，并输出控制信号控制动力系统。相较于其他飞控平台，如djin3飞控、mwc飞控等，pixhawk有系统开源、可定制扩展性、控制效果好等特点。pixhawk姿态控制计算机主要包括mcu、接口扩展板、ad转换电路等部分，通过ttl电平的串口接口或can接口与差分gps模块连接，接收经纬度及高度等位置信息；通过i2c接口与imu、磁罗盘、气压计等传感器连接，接收三轴加速度、角速度、地磁场及气压等数据信息；通过pwm引脚与电调连接，发送pwm波控制电调驱动电机旋转；通过ttl电平的串口接口与主控计算机连接，发送多旋翼无人机位置姿态状态等信息，接收位置姿态控制指令；通过ttl电平的串口接口与数传电台连接，发送机载摄像头图像、多旋翼无人机位置姿态信息等数据，接收地面站指令。

在本发明中，传感系统包括惯性测量传感器(imu)如三轴加速度计、三轴陀螺仪等，高度测量传感器如气压计，航向测量传感器如磁罗盘等，这些传感器通过i2c总线或can总线与姿态控制计算机连接，通过串行总线向姿态控制计算机传输加速度、角速度、地磁场及气压等数据，用于确定多旋翼无人机自身姿态和高度。

在本发明中，定位系统优选采用外置差分gps模块，外置差分gps主要包括机载接收模块、地面基站及gps天线，机载接收模块和地面固定基站同时接收普通的gps定位信息，地面固定基站根据自身精确位置和同时获得的普通gps定位信息，向机载接收模块发送定位修正值，机载接收模块通过普通gps定位信息和定位修正值计算出更为精准的定位信息。

机载接收模块机载接收模块通过ttl电平的串口和can总线与姿态控制计算机连接，向姿态控制计算机发送经纬度和高度等信息，用于多旋翼无人机自身定位；而且，差分gps模块同传感系统中的imu(如括三轴陀螺仪和三轴加速度计等)一同形成了传感器冗余的设计，可以使用传感系统中的imu测得的加速度和角速度数据积分来获得位置信息，对gps获得的位置信息进行修正。

在本发明的一个优选实施方式中，作为外置差分gps采用赫星科技的here+rtk高精度差分定位模块，该模块相对于其他定位模块来说，有定位精度高，一体化程度好，与飞控配套的设计能够完成将定位信息、磁罗盘数据、气压计数据直接传输到飞控进行数据融合，能够辅助飞控更好的完成自身位置估计。

在本发明中，视觉系统优选使用深度相机获取障碍物信息并进行避障，保证了多旋翼无人机对复杂环境感知适应能力；优选使用双光光电吊舱在可视及红外两种情况下进行大范围视场搜索以及在确定目标后对目标进行稳定跟踪。

双光光电吊舱主要包括镜头、感光元件、三轴云台及接口电路等部分，通过rs232或sdi接口与主控计算机连接，向主控计算机发送图像信息，主控计算机通过写入的图像识别跟踪算法(典型的例如：shafieemj,chywlb,lif,etal.fastyolo:afastyouonlylookoncesystemforreal-timeembeddedobjectdetectioninvideo[j].2017.)识别目标，并计算目标相对于光电吊舱像素中心点的偏差，根据偏差量生成控制指令，并发到光电吊舱，控制云台转动维持目标始终处于像素中心位置，实现跟踪功能。

在本发明的一个优选实施方式中，作为双光光电吊舱，可以使用星网宇达sca260型光电吊舱。sca260型光电吊舱采用高精度两轴稳定平台，内置36倍连续变焦可见光摄像机和高分辨率单反照相机，结构紧凑、性价比高。相较于其他光电吊舱，该吊舱具有多种光学传感器组合、高精度光纤陀螺稳定平台、集成高清自动跟踪等优点，跟踪目标效果优异。sca260型光电吊舱主要包括镜头、感光元件、三轴云台及接口电路等部分，通过接口电路与主控计算机连接，发送图像信息，接受云台、快门等控制信息控制光电吊舱转动及拍照。

避障的深度相机主要包括双目模组、深度模组、内置imu等部分，通过usb接口与主控计算机连接，向主控计算机发送障碍物的深度信息。主控计算机根据障碍物的深度信息，形成人工势场，即距离障碍物越近的位置虚拟排斥力越大，根据排斥力最小等指标对路径进行优化，实现避障作业。

在本发明的一个优选实施方式中，作为避障相机，可以使用深度相机，特别是intelrealsensed435irgb-d相机作为深度避障相机。其视野广阔，最大拍摄距离可达10m，并随附英特尔实感sdk2.0和跨平台支持。相对于其他深度避障相机，该相机有rgb成像质量高，深度信息准确，内置imu能够同时完成slam等功能。

本发明为追踪功能和避障功能同时选用了双光光电吊舱和深度相机两种图像获取设备，有如下优点：

(1)由于双光光电吊舱有三轴机械云台的结构，一方面保证了在多旋翼无人机进行大角度机动飞行时光电球获取图像的稳定性，另一方面保证了光电球可以独立于多旋翼无人机自由旋转，能够在未发现目标时进行大范围搜索，有利于其更快速搜寻到目标，并在识别目标后，光电球能够通过自身云台的转动，使目标始终处于视场内，避免了因多旋翼无人机因自身机动能力不足而丢失目标视野的情况，因此，该系统适合于对快速移动目标的搜索与跟踪，如使用该多旋翼无人机系统完成对地面快速移动平台进行跟踪。

(2)双光光电吊舱能够同时获得可见光图像及红外图像，这保证了该多旋翼无人机系统的搜索追踪的可靠性和全天候性，在可见光成像效果好的情况下，使用可见光图像进行搜索追踪；在如浓雾或黑夜的环境中，使用红外图像代替可见光。因此，该系统能在恶劣环境下为地面人员提供高空视野，如在夜晚协助地面人员搜寻地面目标。

(3)使用与多旋翼无人机捷联的并且内置有imu的rgb-d相机作为避障相机，一方面可以使用其中的深度相机提供的与障碍物之间的深度信息，使用人工势场法等算法进行避障；另一方面可以使用rgb相机的图像信息与相机内置的imu测量出的姿态信息相结合，并使用相关的单目视觉惯性里程计算法，如vins-mono(tongq,peiliangl,shaojies.vins-mono:arobustandversatilemonocularvisual-inertialstateestimator[j].ieeetransactionsonrobotics,2018:1-17.)，完成基于视觉的位置姿态估计；在一般环境下，由视觉估计出的位置姿态信息可以与gps测量出的位置信息及内置imu测量出的姿态信息使用ekf等算法进行融合(典型的例如：zhangp,guj,miliosee,etal.navigationwithimu/gps/digitalcompasswithunscentedkalmanfilter[c]//mechatronics&automation,ieeeinternationalconference.ieee,2005.)，对其数据进行修正，确保在gps模块及传感系统的imu出现少量错误数据时仍能正确估计多旋翼无人机的位置姿态。而在强电磁干扰或gps拒止的环境中，如电厂、室内，视觉惯性里程计能够代替gps，成为多旋翼无人机的位置信息获取来源，保证了该多旋翼无人机对环境改变的鲁棒性，能够完成如楼宇内自主飞行的功能。

在本发明中，数据通信系统用于完成多旋翼无人机与地面站之间的部分关键数据传输，如机载摄像头图像数据，多旋翼无人机位置姿态信息及地面站指令等，用于地面站对多旋翼飞行状态进行监视和对关键决策进行控制。数据通信系统包括机载端和地面端，机载端通过ttl电平的串口与姿态控制计算机连接，由姿态控制计算机负责转发各机载设备的数据信息及地面站发送的指令，机载端与地面端之间通过无线电传输数据，地面端通过usb与地面计算机连接。

本发明中，作为数据通信系统的机载端优选使用数传电台，特别是赫星herelink，该模块有数图传遥控一体强大的视频传输链路，画质高达1080p@60fps最大传输距离20km，地对空，无遮挡无干扰，数据延时最小110ms，hdmi输入到显示端等特点。相对于其他数传电台，具有数图传遥控一体，简化系统设备数量，方便用户使用等特点。使用其可实现机载系统同地面站进行飞行状态进行监视、电池电量、飞行任务状态、警报等关键数据传输。

在本发明中，电源管理系统，主要供电电池、稳压模块、分电板等部分，通过各型号供电线与各模块的电源正负极接口连接，为多旋翼无人机整体系统进行供电，包括用于驱动电调电机等动力设备的高压动力电及维持机载电子设备运行的低压电。优选采用格氏tattu22000mah电池作为供电电源模块，采用正源电子直流转换器作为降压模块。

采用本发明的机载计算机系统，能够达到如下效果：

(1)主控计算机：避障及路径规划算法运行频率为30hz，视觉识别算法运行频率20hz，高于最低频率要求；

(2)姿态控制计算机：控制算法运行频率为100hz，控制系统对单位阶跃输入响应上升时间为0.27s，无超调量，能够快速跟随控制指令；

(3)视觉系统：视觉识别跟踪算法最终的跟踪误差最大为1m，能够完成对目标的精准跟随。避障算法能使多旋翼无人机自动躲避5m内的障碍，能在低速飞行情况下自主避障。在gps拒止的情况下视觉惯性里程计定位精度约为0.2m，基本满足室内定位需求；

(4)差分gps模块：冷启动时间26s，最大更新频率5hz，定位精度0.025m，能够完成室外高精度定位飞行；

(5)电源管理、动力及供电系统：动力系统最大拉力为11320g，续航时间约为20分钟，起飞重量和飞行时长能满足大部分应用场景。

实施例1复杂环境中跟踪地面移动平台并降落

在存在多个飘动障碍物的环境中，目标无人机在做不规则航线飞行，启动搭载如图1所示机载计算机系统的多旋翼无人机执行任务，其中，主控计算机采用jetsontx2，姿态控制计算机采用pixhawk，双光光电吊舱采用星网宇达sca260型光电吊舱，深度避障相机采用intelrealsensed435irgb-d相机，差分gps模块采用赫星科技的here+rtk高精度差分定位模块，数传电台采用赫星herelink。

多旋翼无人机飞至高点，使用机载计算机系统的双光光电吊舱进行大视野范围的目标搜索，在检测到目标后，主控计算机根据比例导引算法(钱杏芳,林瑞雄,赵亚男.导弹飞行力学[m].北京理工大学出版社,2013.)计算路径及过载信息，将过载信息发送给姿态控制计算机pixhawk，姿态控制计算机pixhawk控制多旋翼无人机跟踪目标平台，期间通过深度避障相机，识别飘动障碍物并根据人工势场算法(陈立彬,尤波,chenli-bin,etal.基于改进人工势场法的机器人动态追踪与避障[j].自动化技术与应用,2007,26(4):8-10.)进行避障，使用双光光电吊舱识别目标平台，接近并持续跟踪，最终完成在移动平台上的降落(息朝健,郭三学.基于简化forstner算子改进的sift无人机图像识别算法[j].计算机应用与软件,2012(05):260-261+306.)(yuy,yangs,wangm,etal.highperformancefullattitudecontrolofaquadrotoronso(3)[c]//ieeeinternationalconferenceonrobotics&automation.ieee,2015.)

以上通过反理性实施方式对本发明进行了详细说明，不过这些实施方式并不应理解为对本发明的限制，本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明的技术方案及其实施方式进行多种改进、替换或修饰，这些均应落入本发明的保护范围内。