本實用新型涉及一種雙余度傳感器的固定翼無人機自動飛行控制系統(tǒng)，屬于固定翼無人機的控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
中小型固定翼無人機目前廣泛應(yīng)用在國土勘測和森林防火等領(lǐng)域，但由于固定翼穩(wěn)定操縱較難，一套可自主飛行的飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計十分必要
目前固定翼無人機的姿態(tài)傳感器和高度傳感器多采用單模塊設(shè)計。而姿態(tài)傳感器和高度傳感器是無人機自動飛行的核心部分，兩個模塊出現(xiàn)問題，無人機將會無法按照既定軌跡飛行，高度信息出錯，會導(dǎo)致高度控制出錯導(dǎo)致無人機的失速，從而可靠性與安全性降低。
因此，解決上述問題是迫切需要的。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，本實用新型提供一種雙余度傳感器的固定翼無人機自動飛行控制系統(tǒng)，提高了無人機的可靠性和安全性。
本實用新型為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
本實用新型提供一種雙余度傳感器的固定翼無人機自動飛行控制系統(tǒng)，其特征在于，包括機載部分和地面站部分；所述機載部分包括固定翼無人機機體、飛行機構(gòu)、飛行控制單元、遙控器接收機、傳感器模塊、無線數(shù)傳模塊、電池模塊；所述飛行機構(gòu)包括電子調(diào)速器、電機、槳葉、舵機，其中，槳葉安裝在電機上；電機位于固定翼無人機機頭前端，并通過電子調(diào)速器與飛行控制單元連接；舵機通過PWM輸出驅(qū)動電路與飛行控制單元連接，用來控制升降舵、副翼、方向舵；所述傳感器模塊包括MIT姿態(tài)傳感器、六自由度姿態(tài)傳感器、三自由度磁場傳感器、氣壓計、差分GPS、空速計；所述飛行控制單元分別與MIT姿態(tài)傳感器、六自由度姿態(tài)傳感器、三自由度磁場傳感器、氣壓計、差分GPS、空速計、遙控器接收機、無線數(shù)傳模塊、電池模塊連接；所述地面站部分包括控制模塊、地面無線數(shù)傳模塊和遙控器，其中，地面無線數(shù)傳模塊與機載部分的無線數(shù)傳模塊進(jìn)行無線通訊。
作為本實用新型的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述電機通過連桿機構(gòu)與固定翼無人機連接。
作為本實用新型的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述MIT姿態(tài)傳感器采用掛載的方式，通過UART與飛行控制單元相連接。
作為本實用新型的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述六自由度姿態(tài)傳感器、三自由度磁場傳感器和氣壓計采用板載的方式，通過I2C總線與飛行控制單元連接。
作為本實用新型的進(jìn)一步優(yōu)化方案，無線數(shù)傳模塊通過UART串口與飛行控制單元連接，空速計模塊通過I2C總線與飛行控制單元連接。
作為本實用新型的進(jìn)一步優(yōu)化方案，還包括通過I2C總線與飛行控制單元連接的EEPROM模塊。
本實用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
(1)采用雙余度傳感器，提高固定翼無人機飛行的可靠性與安全性；
(2)加入地面站與無線數(shù)傳模塊，可以隨時修改自動飛行的航線；
(3)加入EEPROM模塊，可以記錄航點信息和飛行狀態(tài)，便于觀測。
附圖說明
圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本實用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
本實用新型公開一種雙余度傳感器的固定翼無人機自動飛行控制系統(tǒng)，包括機載部分和地面站部分；所述機載部分包括固定翼無人機機體、飛行機構(gòu)、飛行控制單元、遙控器接收機、傳感器模塊、無線數(shù)傳模塊、電池模塊；所述飛行機構(gòu)包括電子調(diào)速器、電機、槳葉、舵機，其中，槳葉安裝在電機上；電機位于固定翼無人機機頭前端，通過電子調(diào)速器與飛行控制單元連接；舵機用來控制升降舵、副翼、方向舵，通過PWM輸出驅(qū)動電路與飛行控制單元連接；所述傳感器模塊包括MIT姿態(tài)傳感器、六自由度姿態(tài)傳感器、三自由度磁場傳感器、氣壓計、差分GPS、空速計；所述飛行控制單元分別與MIT姿態(tài)傳感器、六自由度姿態(tài)傳感器、三自由度磁場傳感器、氣壓計、差分GPS、空速計、遙控器接收機、無線數(shù)傳模塊、電池模塊連接；所述地面站部分包括控制模塊、地面無線數(shù)傳模塊和遙控器，其中，地面無線數(shù)傳模塊與機載部分的無線數(shù)傳模塊進(jìn)行無線通訊。
本實用新型采用常規(guī)布局的固定翼無人機機體結(jié)構(gòu)，包括一個電子調(diào)速器、一個電機、一個槳葉、五個舵機，五個舵機用來控制兩個升降舵、兩個副翼、一個方向舵，通過PWM輸出驅(qū)動電路與飛行控制單元連接。固定翼無人機的飛行軌跡及飛行速度由電機及副翼、升降舵、方向舵控制。電機轉(zhuǎn)動提供無人機飛行的前進(jìn)動力，副翼、升降舵、方向舵用來控制無人機的高度、航向。
一、飛行控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)和結(jié)構(gòu)原理
如圖1所示，該固定翼無人機的飛行控制系統(tǒng)，包括機載部分和地面站控制部分。機載部分和地面站的通信有兩種方式，即2.4GHz的FUTABA遙控器無線通信和915MHz無線傳 輸模塊通信。FUTABA遙控器是日本雙葉電子工業(yè)株式會社生產(chǎn)的一款航模通用的遙控器，與該品牌接收機配套使用。航模操縱者可以通過撥動遙控器上的一些撥桿，各撥桿所處的不同位置對應(yīng)于不同的行程，能產(chǎn)生具有不同脈寬的各通道遙控PWM信號。無線數(shù)傳模塊傳輸頻率為915MHz，最大傳輸距離為700m，分為兩個模塊，分別是Air模塊(串口)用于飛行器搭載，Ground模塊(USB接口)用于地面連接電腦使用。
本發(fā)明的機載部分包括飛行控制單元(CPU)、傳感器模塊、無線數(shù)傳模塊、電源模塊、遙控接收機。電機及舵機，通過PWM輸出驅(qū)動電路與飛行控制單元(CPU)連接；六自由度姿態(tài)傳感器、三自由度磁場傳感器、氣壓計、EEPROM、空速計通過I2C總線與飛行控制單元(CPU)連接；無線數(shù)傳模塊通過UART串口與飛行控制單元(CPU)連接；MTI、差分GPS通過USART串口與飛行控制單元(CPU)連接；地面站控制部分的地面無線數(shù)傳模塊與機載部分的無線數(shù)傳模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；遙控器接收機通過UART串口(采用SBUS協(xié)議)與飛行控制單元(CPU)連接；電源模塊通過AD接口與飛行控制單元相連。
(1)飛行控制計算機硬件設(shè)計
本發(fā)明的飛行控制單元采用32位浮點型單片機，控制器為STM32F407。
控制器STM32F407是基于252MIPS的Cortex-M4架構(gòu)的32位單片機，時鐘頻率高達(dá)168MHZ，其豐富的硬件接口資源(4個USART，2個USAT，3個I2C，3個SPI，3個12位AD，2個CAN等等)及功能強大的DMA控制方式，充分保證固定翼無人機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性。以下對飛行控制計算機詳細(xì)描述：
飛行控制單元，集飛控、導(dǎo)航、與地面站通信功能于一身。主要負(fù)責(zé)讀取遙控器、MIT姿態(tài)傳感器、六自由度姿態(tài)傳感器、三自由度磁場傳感器、氣壓計、差分GPS、空速計的數(shù)據(jù)，同時負(fù)責(zé)與地面站進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，其功能是根據(jù)接收到的遙控器、MIT姿態(tài)傳感器、六自由度姿態(tài)傳感器、三自由度磁場傳感器、氣壓計、差分GPS、空速計的數(shù)據(jù)，實時計算航線給予固定翼無人機導(dǎo)航和飛行控制，并輸出控制指令給電子調(diào)速器，從而控制電機的轉(zhuǎn)速并將控制指令給舵機控制舵面。本實用新型中，姿態(tài)傳感器飛行采用高低搭配雙余度，在正常飛行時，由掛載的MTI提供姿態(tài)和航向數(shù)據(jù)，板載的航姿傳感器(六自由度姿態(tài)傳感器、三自由度磁場傳感器的組合)模塊作為備份和比較監(jiān)控信號。飛行控制單元不斷檢測MTI的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)丟失或者數(shù)據(jù)一直不變時，視為MTI模塊出現(xiàn)故障時，由板載的航姿傳感器提供姿態(tài)和航向數(shù)據(jù)，保證固定翼無人機的穩(wěn)定飛行。高度信息同樣采用高低精度雙余度控制，雖然差分GPS接收數(shù)據(jù)精度高，誤差在10cm內(nèi)，可是數(shù)據(jù)依賴基站，數(shù)據(jù)有丟失的可能性，故采用低精度的氣壓計高度作為備份和監(jiān)控。當(dāng)差分GPS出現(xiàn)故障時，由氣壓計提供高度信息，以保證固定翼無人機的穩(wěn)定飛行。其中，飛行控制單元的控制原理為常規(guī)技術(shù)手段，在 諸如(劉彥博.小型固定翼無人機自主飛行控制律設(shè)計[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2015.和孔德勝.某型固定翼無人機飛控系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[D].北京理工大學(xué),2015.)中均有介紹。
(2)傳感器模塊的設(shè)計
本發(fā)明中使用到的傳感器系統(tǒng)包括：
①姿態(tài)傳感器：高精度MTI姿態(tài)傳感器，低精度MPU6000和HMC5883l組合九自由度姿態(tài)傳感器，構(gòu)成姿態(tài)傳感器的雙余度。
MTI姿態(tài)傳感器采用的是XSENS公司的MTI-300，具有抗機械抖動和撞擊的優(yōu)異性能，能直接輸出高精度的3自由度角度、3自由度角速率和3自由度加速度等數(shù)據(jù)。靜態(tài)條件下，滾轉(zhuǎn)角與俯仰角測量偏差在0.2°-0.25°之間；動態(tài)情況下，其測量偏差分別為0.3°-1.0°之間，偏航角測量偏差最大為1.0°。提供高達(dá)2kHz輸出數(shù)據(jù)頻率和低于2ms的數(shù)據(jù)延遲。
六自由度姿態(tài)傳感器選用美國Invensense公司生產(chǎn)的MPU-6000，其整合了3自由度陀螺儀、3自由度加速器，為全球首例整合性6自由度運動處理組件。相較于多組件方案，MPU-6000免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間，具有低功耗、低成本、高性能的特點。
三自由度磁場傳感器采用的是Honeywell公司的HMC5883L。該傳感器能在±8高斯的磁場中實現(xiàn)5毫高斯分辨率，內(nèi)置自檢功能，能讓羅盤航向精度精確到1°-2°，采用霍尼韋爾各向異性磁阻(AMR)技術(shù)，具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點。
MTI姿態(tài)傳感器通過串口與飛行控制電源連接，六自由度姿態(tài)傳感器和三自由度磁場傳感器均通過I2C與飛行控制單元連接。
②無線數(shù)傳模塊
無線數(shù)傳模塊是該發(fā)明中用于遠(yuǎn)程控制無人機一種方法，其控制范圍決定了無人機的飛行半徑。無線數(shù)傳模塊用于實現(xiàn)位于地面的地面站和位于空中無人機搭載的飛控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)互傳。本實用新型選用3DR Radio Telemetry數(shù)傳模塊，傳輸頻率為915MHz，最大傳輸距離為700m，使用UART接口輸出數(shù)據(jù)。
③氣壓計
氣壓計采用由MEAS推出的新一代高分辨率氣壓傳感器MS5611，該傳感器用來測量固定翼飛行器絕對飛行高度(相對于起飛點的高度)。該模塊包含了一個高線性度的壓力傳感器和一個超低功耗的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，提供了一個精確的24位數(shù)字壓力值和溫度值以及不同的操作模式，可以提高轉(zhuǎn)換速度并優(yōu)化電流消耗。高分辨率的溫度輸出無須額外傳感器可實現(xiàn)高度計/溫度計功能。工作溫度范圍：-40-85℃，精確度：在飛行高度750m時，偏差-1.5m～+1.5m。
④差分GPS
本實用新型使用NovAtel推出的OEM617，具有模塊化的特性為用戶的應(yīng)用提供了靈活的配置。提供了分米級的定位精度。
⑤空速計
本實用新型使用型號MS4525DO-DS5AI001DS的空速計差壓傳感器，其為數(shù)字輸出，是一種小型，陶瓷基座，電路板安裝用于測量的壓力傳感器。其將飛機相對于空氣的速度通過I2C總線發(fā)回飛控，用來控制無人機的速度。
⑥EEPROM
本實用新型使用EEPROM采用T24C256，T24C256是ATMEL公司256kbit串行電可擦的可編程只讀存儲器，8引腳雙排直插式封裝，結(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大，通過I2C總線與飛控傳輸信息，其板載在飛控板上。
⑦電源模塊
本實用新型使用10000mAh、25C、22.2V鋰電池為多旋翼無人機的飛行動力供電，飛行控制單元的電源需進(jìn)行降壓，提供5V、3.3V這兩種直流電源以滿足控制芯片的需求。使用MP2482芯片實現(xiàn)動力電池穩(wěn)定輸出5V；使用美國MICREL公司生產(chǎn)的MIC5219-3.3實現(xiàn)5V→3.3V的低壓降，可達(dá)到很高的效率，且成本低，噪音低，靜態(tài)電流小。
本實用新型所設(shè)計的自動飛行控制系統(tǒng)能通過地面站設(shè)定航線及固定翼無人機飛行動作，比如，起飛、降落、航線跟蹤，并通過無線數(shù)傳模塊將航線信息傳輸給機載部分。
本實用新型采用100Hz作為控制頻率，完成對姿態(tài)傳感器的解析與控制律的運算，經(jīng)過轉(zhuǎn)換以PWM值輸出給電機和舵機，驅(qū)動固定翼無人機完成航線飛行。
以上所述，僅為本實用新型中的具體實施方式，但本實用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本實用新型所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的包含范圍之內(nèi)，因此，本實用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。