一種多旋翼無人機嵌入式控制系統的製作方法

2023-06-22 05:12:21 2

本發明屬於無人機技術領域，涉及一種無人機控制系統，具體是一種多旋翼無人機嵌入式控制系統。

背景技術：

近幾十年來，隨著航空電子以及微機電系統技術的飛速發展，無人機的發展進入鼎盛時期。以美國為首的西方國家，掌握著先進的無人機技術。在科索沃戰爭、阿富汗戰爭、伊拉克戰爭中，美軍的無人機在戰場上發揮了巨大的作用，不論是偵察功能強大的「全球鷹」，還是裝備了「地獄火」地對空飛彈的「捕食者」，高精度的機載傳感器系統，是無人機實現其功能的重要保障。

不同於固定翼無人機需要機翼相對於大氣運動產生的壓力差作為無人機的升力，旋翼無人機通過旋翼的旋轉來產生升力，這也使得旋翼無人機可以實現垂直起降、空中懸停、倒飛等固定翼無人機無法實現的功能。旋翼無人機的機動性比固定翼無人機強，適用於航拍、高壓電線巡檢等。

多旋翼無人機是無人機研究中的一個熱門，與單旋翼相比，它結構簡單，由多個帶旋翼的電機轉動提供升力，與單旋翼不同的是它的旋翼槳面的傾斜度是固定不變的，姿態和位置通過改變各個電機的轉速形成轉速差來控制。它機動性強，可以在室內相對狹小的空間飛行；效率高，一對電機順時針旋轉，另一對逆時針旋轉，由電機旋轉產生的旋轉力矩相互抵消，而不需像單旋翼一樣增加尾槳來抵消主槳的旋轉力矩。但這種無人機負載較小，因此對機載硬體的要求也更加嚴格。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種多旋翼無人機嵌入式控制系統。

本發明的目的可以通過以下技術方案實現：

一種多旋翼無人機嵌入式控制系統，包括慣性導航集成模塊、聲納傳感器、雷射雷達傳感器、超控模塊、主控制模塊、遙控信號接收模塊、信號轉換模塊以及無刷電機調速器；

所述慣性導航集成模塊，用於採集多旋翼無人機的飛行姿態數據，通過RS-232接口輸出到超控模塊；

所述聲納傳感器，用於採集多旋翼無人機的飛行高度數據，通過I2C接口輸出到超控模塊；

所述雷射雷達傳感器，用於探測多旋翼無人機飛行小範圍內的障礙物信息，通過RS-232接口輸出到超控模塊；

所述超控模塊，採用AVR單片機，與主控模塊進行數據通信，對接收到的多旋翼無人機飛行姿態數據、飛行高度數據以及附近障礙物信息進行電平轉換，然後發送給主控制模塊；並獲取主控制模塊和遙控信號接收模塊輸出的控制杆量信號，輸出到信號轉換模塊；

所述主控制模塊，採用ARM嵌入式控制器，通過WIFI無線連接地面站，將接收到超控模塊輸出的飛行姿態數據、飛行高度數據以及附近障礙物信息發送給地面站，並使用控制算法程序對數據進行計算，輸出控制杆量信號到超控模塊；

所述遙控信號接收模塊，連接多旋翼無人機遙控器，接收遙控器發出的控制杆量信號，並輸出到超控模塊；

所述信號轉換模塊，將超控模塊輸出的控制杆量信號解算成電機控制信號，並輸出到無刷電機調速器；

所述無刷電機調速器，根據信號轉換模塊輸出的電機控制信號，控制無刷電機工作，實現多旋翼無人機的自主飛行控制。

本發明的有益效果：本發明提供的多旋翼無人機嵌入式控制系統，通過慣性導航集成模塊和聲納傳感器採集無人機飛行姿態和高度位置數據，經過AVR超控模塊進行電平轉換後發送給ARM嵌入式控制器，計算出控制杆量返回給AVR超控模塊，經過AVR超控模塊的選通功能將控制杆量發送給信號轉換模塊解算成電機控制信號，並發送給無刷電機調速器驅動無刷電機轉動，實現了四旋翼無人機的自主飛行；如果AVR超控模塊選通的是手動控制信號，則無人機處於手動飛行狀態，多旋翼無人機飛行數據還可以通過ARM控制器自帶的WiFi無線傳輸到地面站進行顯示與存儲；並通過增加雷射雷達探測小範圍內的障礙物，實現多旋翼無人機的室內自主懸停。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細描述。

圖1是本發明的系統示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。

如圖1所示，本發明提供了一種多旋翼無人機嵌入式控制系統，包括慣性導航集成模塊、聲納傳感器、雷射雷達傳感器、超控模塊、主控制模塊、遙控信號接收模塊、信號轉換模塊以及無刷電機調速器。

慣性導航集成模塊，採用荷蘭Xcens公司的MTi-G慣性導航集成模塊，用於採集多旋翼無人機的飛行姿態數據，通過RS-232接口輸出到超控模塊。其中，飛行姿態數據包括三軸線加速度、三軸角速度、三軸地磁場強度、三軸姿態角度、經度緯度、海拔高度和線速度等物理暈，每一個物理量都對應相應的坐標系，是多旋翼無人機自主飛行時需要的重要數據。

MTi-G慣性導航集成模塊是一個帶有導航和姿態、航向參考系統處理器的GPS與微機電慣性測量單元的整合系統，其內部低功耗的信號處理器運行的實時卡爾曼濾波程序增強了3D位置和速度估計的精度，能提供無漂移的三軸姿態，還有經過校正的3D線加速度、角速度、地磁場以及靜態氣壓信號，是一款性能出色的導航、控制測量設備。

聲納傳感器，採用Devantech公司的Srf-08超聲波傳感模塊，用於採集多旋翼無人機的飛行高度數據，通過I2C接口輸出到超控模塊。

雷射雷達傳感器，用於探測多旋翼無人機飛行小範圍內的障礙物信息，通過RS-232接口輸出到超控模塊，實現四旋翼無人機的室內自主懸停。

超控模塊，採用AVR單片機，與主控模塊進行數據通信，對接收到的多旋翼無人機飛行姿態數據、飛行高度數據以及附近障礙物信息進行電平轉換，然後發送給主控制模塊；並獲取主控制模塊和遙控信號接收模塊輸出的控制杆量信號，輸出到信號轉換模塊。

主控制模塊，採用ARM嵌入式控制器，通過WIFI無線連接地面站，將接收到超控模塊輸出的飛行姿態數據、飛行高度數據以及附近障礙物信息發送給地面站，並使用控制算法程序對數據進行計算，輸出控制杆量信號到超控模塊。

遙控信號接收模塊，連接多旋翼無人機遙控器，接收遙控器發出的控制杆量信號，並輸出到超控模塊。

信號轉換模塊，將超控模塊輸出的控制杆量信號解算成電機控制信號，並輸出到無刷電機調速器。

無刷電機調速器，根據信號轉換模塊輸出的電機控制信號，控制無刷電機工作，實現多旋翼無人機的自主飛行控制。

本發明提供的多旋翼無人機嵌入式控制系統，通過慣性導航集成模塊和聲納傳感器採集無人機飛行姿態和高度位置數據，經過AVR超控模塊進行電平轉換後發送給ARM嵌入式控制器，計算出控制杆量返回給AVR超控模塊，經過AVR超控模塊的選通功能將控制杆量發送給信號轉換模塊解算成電機控制信號，並發送給無刷電機調速器驅動無刷電機轉動，實現了四旋翼無人機的自主飛行；如果AVR超控模塊選通的是手動控制信號，則無人機處於手動飛行狀態，多旋翼無人機飛行數據還可以通過ARM控制器自帶的WiFi無線傳輸到地面站進行顯示與存儲；並通過增加雷射雷達探測小範圍內的障礙物，實現多旋翼無人機的室內自主懸停。

在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「示例」、「具體示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

以上內容僅僅是對本發明結構所作的舉例和說明，所屬本技術領域的技術人員對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，只要不偏離發明的結構或者超越本權利要求書所定義的範圍，均應屬於本發明的保護範圍。