基于fpga的无人机飞行控制电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无人机技术领域，特别是涉及一种基于FPGA的无人机飞行控制电路。
【背景技术】
[0002] -般多旋翼无人机的飞行控制电路包括控制芯片、惯性测量电路、电子罗盘、气压 计、P丽输入信号模块、PWM输出信号模块、GPS模块以及串口RS232或I2C等接口。其中，控制 芯片多米用MCU(Microcontroller Unit，微控制电路）或DSP(Digital Signal Processor， 数字信号处理器），即使有些使用了FPGA，FPGA也仅仅用以扩展10接口。也就是说，目前的多 旋翼无人机中飞行控制算法均是采用串行的方式，不能够精确并行的控制多旋翼无人机的 电机，对电机控制的精度以及实时性较差。
【发明内容】
[0003] 鉴于现有技术的现状，本发明的目的在于提供一种基于FPGA的无人机飞行控制电 路，能够并行的控制无人机的各个电机，从而提高电机控制的精度以及实时性。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] -种基于FPGA的无人机飞行控制电路，包括:控制器模块以及分别与所述控制器 模块电连接的九轴测量模块、姿态解算模块、PID控制模块和遥控舵机模块，其中，所述九轴 测量模块、所述姿态解算模块、所述PID控制模块以及所述遥控舵机模块依次电连接；
[0006] 所述九轴测量模块连接至加速度计、陀螺仪和磁力计，用于根据所述加速度计、所 述陀螺仪和所述磁力计传送的测量数据生成并输出九轴数据；
[0007] 所述姿态解算模块用于根据所述九轴数据生成并输出飞行姿态数据；
[0008] 所述PID控制模块连接所述九轴测量模块，所述PID控制模块包括至少三个并行设 置的姿态角控制电路，用于根据所述九轴测量模块传送的九轴数据以及所述飞行姿态数据 计算生成电机控制数据；
[0009] 所述遥控舵机模块连接遥控器接收机以及与所述无人机的各个电机连接的电子 调速器，所述遥控舵机模块用于根据所述遥控器发送的遥控信号、所述PID控制模块输出的 电机控制数据生成用以控制所述电子调速器的控制信号，并将所述控制信号反馈至所述 PID控制模块，以并行的控制所述无人机的各个电机运行。
[0010] 在本发明的一个实施例中，所述九轴测量模块包括中断控制电路以及依次电连接 的数据缓冲电路、数据处理电路、数据选通电路、数据还原电路和同步输出电路；
[0011] 其中，所述数据缓冲电路、所述数据处理电路和所述同步输出模块连接所述控制 器模块;所述中断控制电路连接至所述数据选通电路和所述数据还原电路，用于控制所述 数据选通电路的导通或关闭；
[0012] 所述数据缓冲电路连接所述加速度计、所述陀螺仪和所述磁力计，用以获取所述 加速度计、所述陀螺仪和所述磁力计的测量数据，所述数据处理电路用于对所述测量数据 进行滤波处理，所述数据还原电路用于对所述测量数据进行数制转换以及归一化处理，所 述同步输出模块连接所述姿态解算模块，所述同步输出电路用于同步生成所述九轴数据， 并将所述九轴数据传送至所述姿态解算模块。
[0013] 在本发明的一个实施例中，所述数据处理电路包括加速度计数据处理单元、陀螺 仪数据处理单元和磁力计数据处理单元；
[0014] 所述加速度计数据处理单元包括依次电连接的第一平滑滤波器组和第一数据选 通器，用于对所述加速度计的测量数据进行平滑滤波处理；
[0015] 所述陀螺仪数据处理单元包括依次电连接的第二平滑滤波器组、零偏值计算-消 除电路以及第二数据选通器，用于对所述陀螺仪的测量数据进行平滑滤波、消除零偏值的 处理；
[0016] 所述磁力计数据处理电路包括依次电连接的第三平滑滤波器组、校准-归一化电 路以及第三数据选通器，用于对所述磁力计的测量数据进行平滑滤波、校准处理；
[0017] 其中，所述第一数据选通器、所述第二数据选通器以及所述第三数据选通器分别 连接至所述控制器模块。
[0018] 在本发明的一个实施例中，所述姿态解算模块包括加速度计误差测量电路、磁力 计误差测量电路、陀螺仪误差测量电路、四元数更新电路、姿态转换矩阵更新电路以及姿态 角转换电路；
[0019] 所述加速度计误差测量电路、所述磁力计误差测量电路均连接至所述陀螺仪误差 测量电路，所述陀螺仪误差测量电路依次电连接所述四元数更新电路、所述姿态转换矩阵 更新电路以及所述姿态角转换电路；
[0020] 所述陀螺仪误差测量电路用于根据所述加速度计误差测量电路生成的加速度计 误差值、所述磁力计误差测量电路生成的磁力计误差值以及所述陀螺仪的测量数据通过互 补滤波算法生成陀螺仪修正数据；
[0021] 所述四元数更新电路用于根据所述陀螺仪修正数据以及上一次的四元数值生成 新的四元数值;所述姿态转换矩阵更新电路用于根据所述新的四元数值生成姿态矩阵，并 将所述新的四元数值反馈至所述加速计误差测量电路及所述磁力计误差测量电路;所述姿 态角转换电路用于根据所述姿态矩阵生成姿态角。
[0022] 在本发明的一个实施例中，所述PID控制模块包括输出控制电路以及并行设置的 三个所述姿态角控制电路，三个所述姿态角控制电路分别为俯仰角控制电路、翻滚角控制 电路和航偏角控制电路；
[0023] 所述俯仰角控制电路、所述翻滚角控制电路和所述航偏角控制电路分别连接所述 姿态解算模块、所述九轴测量模块和所述输出控制电路;所述输出控制电路输出所述电机 控制数据，并将所述电机控制数据反馈给所述俯仰角控制电路、所述翻滚角控制电路以及 所述航偏角控制电路。
[0024] 在本发明的一个实施例中，所述俯仰角控制电路、所述翻滚角控制电路以及所述 航偏角控制电路均采用双环结构。
[0025] 在本发明的一个实施例中，所述遥控舵机模块包括接收电路、电机控制电路以及 通道编码电路;所述接收电路连接所述电机控制电路和所述通道编码电路，所述电机控制 电路、所述通道编码电路连接所述控制器模块；
[0026] 所述接收电路连接所述遥控器接收机，用于接收遥控器发送的包含多个通道数据 的遥控信号，并分别对所述遥控信号的多个通道数据进行处理;所述通道编码电路用于根 据所述遥控信号生成无人机工作模式控制信号，并将所述无人机工作模式信号传送至所述 控制器模块；
[0027] 所述电机控制电路连接所述PID控制模块，所述电机控制电路根据所述PID控制模 块输出的电机控制数据以及所述无人机工作模式信号生成所述电机的通道数值，并将所述 电机的通道数值转换为用以控制所述电子调速器的控制信号。
[0028] 在本发明的一个实施例中，还包括与气压计连接的气压计读取-补偿模块；
[0029] 所述气压计读取-补偿模块包括分别与所述控制器模块电连接的初始化电路、数 据读取电路、第四数据选通器、温度补偿电路、AD系数归一化电路以及数制转换电路；
[0030] 所述第四数据选通器连接所述气压计，所述初始化电路、所述数据读取电路均连 接至所述第四数据选通器，所述数据读取电路、所述温度补偿电路、所述AD系数归一化电路 以及所述数制转换电路依次电连接，所述数制转换电路用于输出气压值和温度值。
[0031] 在本发明的一个实施例中，还包括GPS模块和数据融合模块；
[0032] 所述气压计读取-补偿模块、所述GPS模块均连接至所述数据融合模块，所述数据 融合模块与所述遥控舵机模块、所述姿态解算模块电连接；
[0033] 所述GPS模块用于获取所述无人机的定位信息，所述数据融合模块用于根据所述 气压计读取-补偿模块输出的气压值、温度值、所述GPS模块输出的定位信息以及所述姿态 解算模块生成的飞行姿态数据生成所述电机控制数据。
[0034] 在本发明的一个实施例中，还包括与所述控制器模块电连接的定时器模块、复位 丰旲块以及按键t旲块；
[0035]所述按键模块与外设的控制按键和显示灯连接，所述显示灯用于指示所述无人机 的工作状态。
[0036]在本发明的一个实施例中，所述基于FPGA的无人机飞行控制电路与上位机通信连 接。
[0037]本发明的有益效果是：
[0038]本发明的基于FPGA的无人机飞行控制电路，通过采用FPGA作为微控制器，并设置 有姿态解算模块实时获得无人机的飞行姿态数据，PID控制模块用于根据飞行姿态数据和 九轴测量模块传送的九轴数据计算生成电机控制数据，遥控舵机模块根据电机控制数据生 成控制信号，以实现对无人机的各个电机的并行控制，同时，由于FPGA的并行处理速度远高 于微控制器的串行处理速度，因此，通过FPGA的控制