一种无人机自动驾驶仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种无人机自动驾驶仪，无人机自动驾驶仪包括：敏感元件，放大计算装置以及执行机构；其中敏感元件包括：微处理单元，惯性测量单元，GPS接收机模块，大气数据传感器单元；所述的惯性测量单元包括三轴加速度传感器和三轴陀螺仪，所述的大气数据传感器单元包括海拔高度传感器和空速传感器，其中通过惯性测量单元，GPS接收机模块，大气数据传感器单元测出无人机的偏离的大小和方向，通过微处理器单元处理得到相应的角度信号以电压形式作为敏感元件的输出，经过放大计算装置后，作用于执行机构，从而控制无人机稳定飞行、完成飞行任务。
【专利说明】
一种无人机自动驾驶仪
技术领域
[0001]本实用新型属于无人机领域，具体涉及一种无人机自动驾驶仪结构。
【背景技术】
[0002]无人机与有人驾驶飞机相比，因其结构简单、隐蔽性较强、成本低、易操作等优点在军事和国民经济的发展中发挥了重要的作用，成为世界各国研究的热门话题。它能够根据任务规划进入预定侦查地域上空，完成自主飞行和实时空中图像和双向数据传输任务，图像实时传输质量好。随着技术、无线通讯技术、智能控制技术和航空技术的进步，无人机正向着小型化、智能化、高精度和隐身化等方向发展。世纪年代初，美国是第一个将无人机用于军事侦察中的国家，此后无人机先后参加了越南战争、中东战争、海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争及近期的伊拉克战争，顺利地完成了飞行任务，可谓功励卓越。高空高速化是无人机未来发展的一个趋势，高空高速无人机需要提供强大动力的新型动力装置(如液气冷式润轮增压活塞发动机)，执行侦察任务比普通无人机更快、更安全。无人机无疑是未来战场中的中流砥柱，在现代军事中，无人机己成为主要的武器装备之一。无人机的角色也逐渐从开始的只能执行简单的侦查任务，转变为能够执行战术任务的配有轻、重武器的装备，而且其灵活性和其经济性也让军队对它越来越重视。现在的无人机己经发展成为兼具体积小和隐身性、活力强大等优点，其携带的武器的杀伤性也逐渐的增大。为了增强无人机的隐蔽性，在飞行器的设计上采用隐形材料、隐形外形设计技术，同时，为了防止雷达、红外和噪声探测设备侦察采用相位对消技术，实现无人机的隐形化，以提高无人机战场生存能力。自动驾驶仪作为无人机的主要部件，在稳定控制系统和自主飞行控制系统中起着非常重要的作用。自动驾驶仪功能的好坏会直接影响到无人机的性能及未来军事中无人机的作战能力。因此，只有不断的对自动驾驶仪进行深入研究，增强无人机的作战性能才能满足未来战场中的需求。
[0003]目前多数飞控采用器件姿态捷联，通过实时计算出姿态矩阵，建立起与之相匹配的数学模型。因此，对于这种系统来说，其最重要的部分就是飞行姿态数据不断的更新计算。当然，飞行姿态数据的更新计算也影响着自动驾驶仪的飞行精度。这些数据的更新对于那些超音速甚至高于音速几倍飞行的高速飞机显得更加重要，一旦这些数据的计算出现问题，后果将是致命的。所以说飞控无法在动态环境下启动，如果在解算过程中出现运算中断，如死机，复位重启等意外情况将无法恢复正确运算，有可能出现无法预料的后果。本文研究的自动驾驶仪具有独特的增稳控制可以使在任何姿态下的飞机恢复平稳飞行，包括把飞机从螺旋状态下解除。随着无人机技术的不断成熟，自动驾驶仪作为飞控系统的核心部件，用于控制无人机稳定飞行、完成飞行任务。因此，对自动驾驶仪的研究具有深远意义。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种无人机自动驾驶仪，用于控制无人机稳定飞行、完成飞行任务。
[0005]本实用新型的无人机自动驾驶仪包括:敏感元件，放大计算装置以及执行机构;其中敏感元件包括:微处理单元，惯性测量单元，GPS接收机模块，大气数据传感器单元;所述的惯性测量单元包括三轴加速度传感器和三轴陀螺仪，所述的大气数据传感器单元包括海拔高度传感器和空速传感器，其中通过惯性测量单元，GPS接收机模块，大气数据传感器单元测出无人机的偏离的大小和方向，通过微处理器单元处理得到相应的角度信号以电压形式作为敏感元件的输出，经过放大计算装置后，作用于执行机构。
[0006]具体地，所述的微处理单元采用LPC2146FBD64，LPC2146FBD64是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDM1-S CPU的微控制器，并带有32kB和256kB迅嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。其主频60MHz，处理速度为54MIPS。该处理器具有I2C、UARC和双SPI串行接口。[0007 ]具体地，所述的惯性测量单元(IMU)模块的功能是测量无人机在机体坐标系中3个方向的加速度和角速度，并将测量结果以直流电压信号形式传输给数据采集模块。本实用新型设计的頂U由3个角速度陀螺仪、I个三轴加速度传感器组成。由頂U出来的数据经过A/D转换后通过SPI接口与控制区进行通信。
[0008]具体地，所述的加速度传感器型号为ADXL202，ADXL202是一种高精度、低功耗及单一的iMEMS型IC芯片加速计，具有信号可调的电压输出，典型测量范围为±2g。该传感器不但可测量静态加速度，而且能测量动态加速度。ADXL202以脉宽占空比调制信号输出，IVT2与被测加速度成正比。Og时，ADX202的占空比输出为50%。灵敏度为每g所引起的脉宽占空比变化12.5 %。60Hz带宽时的分辨率为5mg。
[0009]具体地，所述的加速度陀螺仪型号为ADXRS613，ADXRS613单芯片上集成了全部必需的电子器件。具有功能完备、成本低廉的角速率传感器(陀螺仪)的特点，ADXRS613提供温度输出，供补偿技术使用。输出的是电压信号，该电压值与围绕封装上表面垂轴转动的角速率成正比。因此，通过输出电压值可求出被测角速度的值^0乂1?613的量程是±150°/8，灵敏度为 12.5mV°/s。
[0010]具体地，所述的GPS接收机模块型号为GPS25LP，GPS25LP有2个RS232串行数据通信接口，是一个12通道的C/A码单频接收机，功耗为0.9W，更新率为Is—1。
[0011]具体地，所述的海拔高度传感器型号为MPXA4115A6U，MPXA4115A6U单片集成硅压力传感器采用MEMS技术、激光改正和薄膜渡烙工艺，它具有响应速度快、可靠性高和过载能力强等优点。
[0012]具体地，所述的空速传感器型号为MPXV5004，MPXV5004采用先进微机械加工技术，金属薄膜镀烙，和双极处理一个高灵敏度的植入式应变针，以提供一个准确的模拟输出信号。该压力传感器釆用5V额定电压供电，最大测量压差为3.92kPa，最大耐受压力为16kPa。利用可以组成一个真空管静压力传感器。
[0013]本实用新型可以控制无人机稳定飞行、完成飞行任务。
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型无人机自动驾驶仪的结构框图。
[0015]图2为实用新型自动驾驶闭环系统图。
【具体实施方式】
[0016]本实用新型的实施例如下:
[0017]图1所述为实用新型无人机自动驾驶仪中的结构框图。具体地，所述的无人机自动驾驶仪包括:敏感元件，放大计算装置以及执行机构;其中敏感元件包括:微处理单元，惯性测量单元，GPS接收机模块，大气数据传感器单元；所述的惯性测量单元包括三轴加速度传感器和三轴陀螺仪，所述的大气数据传感器单元包括海拔高度传感器和空速传感器，其中通过惯性测量单元，GPS接收机模块，大气数据传感器单元测出无人机的偏离的大小和方向，通过微处理器单元处理得到相应的角度信号以电压形式作为敏感元件的输出，经过放大计算装置后，作用于执行机构。
[0018]具体地，图1所述的微处理单元采用LPC2146FBD64，LPC2146FBD64是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDM1-S CPU的微控制器，并带有32kB和256kB迅嵌入的高速Flash存储器。
[0019]具体地，图1所述的惯性测量单元(MU)模块的功能是测量无人机在机体坐标系中3个方向的加速度和角速度，并将测量结果以直流电压信号形式传输给数据采集模块。本实用新型设计的MU由3个角速度陀螺仪、I个三轴加速度传感器组成。由MU出来的数据经过A/D转换后通过SPI接口与控制区进行通信。
[0020]具体地，图1所述的三轴加速度传感器型号为ADXL202，ADXL202是一种高精度、低功耗及单一的iMEMS型IC芯片加速计，具有信号可调的电压输出，典型测量范围为±2g。ADXL202以脉宽占空比调制信号输出，IVT2与被测加速度成正比。Og时，ADX202的占空比输出为50%。灵敏度为每g所引起的脉宽占空比变化12.5%。60取带宽时的分辨率为5mg。
[0021]具体地，图1所述的三轴陀螺仪型号为ADXRS613，ADXRS613单芯片上集成了全部必需的电子器件。具有功能完备、成本低廉的角速率传感器(陀螺仪)的特点，ADXRS613提供温度输出，供补偿技术使用。输出的是电压信号，该电压值与围绕封装上表面垂轴转动的角速率成正比ADXRS613的量程是±150° /s，灵敏度为12.5mV° /s。
[0022]具体地，图1所述的GPS接收机模块型号为GPS25LP，GPS25LP有2个RS232串行数据通信接口，是一个12通道的C/A码单频接收机，功耗为0.9W，更新率为Is—1。
[0023]具体地，图1所述的海拔高度传感器型号为MPXA4115A6U，MPXA4115A6U单片集成硅压力传感器采用MEMS技术、激光改正和薄膜渡烙工艺，它具有响应速度快、可靠性高和过载能力强等优点。
[0024]具体地，图1所述的空速传感器型号为MPXV5004，MPXV5004采用先进微机械加工技术，金属薄膜镀烙，和双极处理一个高灵敏度的植入式应变针，以提供一个准确的模拟输出信号。该压力传感器釆用5V额定电压供电，最大测量压差为3.92kPa，最大耐受压力为16kPa0
[0025]图2所述为实用新型自动驾驶闭环系统图。该闭环系统中虚线框中所代表的是自动驾驶仪，自动驾驶仪的作用是操纵飞机飞行。自动驾驶仪中的执行机构控制方向舵，进而影响飞机的飞行姿态。敏感元件监测飞机的飞行姿态，通过计算装置进行分析与控制，从而构成一个闭环系统。
[0026]具体地，敏感元件包括微处理器单元，惯性测量单元，GPS接收机模块和大气数据传感器单元。飞机由于受到外界干扰后偏离初始状态时，敏感元件的相应传感器测出飞机偏离的大小和方向，通过微处理器单元处理得到相应的角度信号以电压形式并输出，该信号经放大、计算处理后，控制执行机构(如舵机)，使驱动器驱动控制面(例如方向舵)做出相应偏转。当飞机重新回到初始状态时，敏感元件无信号输出，舵机以及与其相连的多面也归原位，飞机重新按预设状态飞行。
【主权项】
1.一种无人机自动驾驶仪，其特征在于;所述的无人机自动驾驶仪包括:敏感元件，放大计算装置以及执行机构;其中所述敏感元件包括:微处理单元，惯性测量单元，GPS接收机模块，大气数据传感器单元;所述的惯性测量单元包括三轴加速度传感器和三轴陀螺仪，所述的大气数据传感器单元包括海拔高度传感器和空速传感器，其中通过所述惯性测量单元，GPS接收机模块，大气数据传感器单元测出无人机的偏离大小和方向，通过微处理单元处理得到相应的角度信号以电压形式作为敏感元件的输出，经过放大计算装置后，作用于执行机构。2.根据权利要求1所述的无人机自动驾驶仪，其特征在于，所述的微处理单元型号为LPC2146FBD64。3.根据权利要求1所述的无人机自动驾驶仪，其特征在于，所述的三轴加速度传感器型号为 ADXL202。4.根据权利要求1所述的无人机自动驾驶仪，其特征在于，所述的三轴陀螺仪型号为ADXRS613。5.根据权利要求1所述的无人机自动驾驶仪，其特征在于，所述的GPS接收机模块型号为GPS25LP。6.根据权利要求1所述的无人机自动驾驶仪，其特征在于，所述的海拔高度传感器型号为MPXA4115A6U。7.根据权利要求1所述的无人机自动驾驶仪，其特征在于，所述的空速传感器型号为MPXV5004。
【文档编号】G05D1/00GK205581640SQ201521144474
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年12月31日
【发明人】杨丁, 吴智勇
【申请人】天津中翔腾航科技股份有限公司