本實(shí)用新型涉及飛行器控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種小型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無人機(jī)是無人駕駛飛行器(Unmanned Aerial Vehicle，縮寫UAV)的簡(jiǎn)稱，是一種有動(dòng)力、可控制、能攜帶多任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多任務(wù)，并能夠重復(fù)使用的無人駕駛航空飛行器。與載人飛機(jī)相比較，它具有體積小、造價(jià)高、使用方便、快速反應(yīng)、機(jī)動(dòng)靈活、對(duì)任務(wù)環(huán)境要求低、生存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，鑒于其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，無人機(jī)的使用范圍已拓寬到軍事、科研和民用三大領(lǐng)域。在軍事上，可用于偵察、監(jiān)視、通信中繼、電子干擾、戰(zhàn)果評(píng)估、目標(biāo)模擬等；在科學(xué)研究上，可用于大氣研究、核生化污染區(qū)的取樣與監(jiān)控、靶機(jī)試驗(yàn)；在民用領(lǐng)域，可用于城市環(huán)境檢測(cè)、地球資源勘探、森林防火等。隨著應(yīng)用的需要和航空技術(shù)的發(fā)展，近年來世界范圍內(nèi)加大了無人機(jī)研究的投入。

目前，我國已經(jīng)具備自行設(shè)計(jì)和批量生產(chǎn)無人機(jī)的能力，逐步走向國際市場(chǎng)，其技術(shù)水平在國際上有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。但是，現(xiàn)有無人機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)中，系統(tǒng)耦合度過大，且沒有預(yù)留出充足的擴(kuò)展接口，因此不便于系統(tǒng)在硬件上進(jìn)行升級(jí)。未來的小型無人機(jī)肩負(fù)著精確打擊和跟蹤任務(wù)，這對(duì)小型無人機(jī)飛行控制器也提出了更高的要求，因此設(shè)計(jì)一款小型化、高集成度、高性價(jià)比的無人機(jī)飛行控制器在軍事、民用領(lǐng)域具有非常重要的意義。此外，目前無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)各類傳感器數(shù)據(jù)采集和飛行控制功能，缺少用于飛行關(guān)鍵數(shù)據(jù)回放的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的一個(gè)目的是提供一種小型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)耦合度過大，沒有預(yù)留出充足的擴(kuò)展接口，不便于系統(tǒng)在硬件上進(jìn)行升級(jí)的問題。

本實(shí)用新型還有一個(gè)目的是提供一種小型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)不具有飛行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種小型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，包括電源模塊、接口模塊、主控模塊、傳感器模塊，所述接口模塊、所述主控模塊、所述傳感器模塊分別與所述電源模塊連接，所述接口模塊、所述傳感器模塊還分別與所述主控模塊連接；所述主控模塊包括主控處理器，所述主控處理器架構(gòu)采用“FPGA+ARM”處理架構(gòu)；所述接口模塊包括連接口，所述連接口包括4路RS232接口、4路A/D接口、6路DIO接口、6路PWM接口。

作為本實(shí)用新型的優(yōu)選方式，所述主控處理器的芯片選用Zynq-7000系列的XC7Z020芯片。

作為本實(shí)用新型的優(yōu)選方式，所述主控模塊還包括JTAG調(diào)試接口、Nand Flash存儲(chǔ)器、DDR3、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路，所述JTAG調(diào)試接口、所述Nand Flash存儲(chǔ)器、所述DDR3、所述時(shí)鐘電路、所述復(fù)位電路分別與所述主控處理器連接。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器模塊包括GPS接收機(jī)、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航儀、高度速度傳感器。

作為本實(shí)用新型的優(yōu)選方式，所述傳感器模塊還包括第一ADC模塊、第一電平轉(zhuǎn)換器和第二電平轉(zhuǎn)換器，所述GPS接收機(jī)與所述第一電平轉(zhuǎn)換電路連接，所述第一電平轉(zhuǎn)換電路通過一路RS232信號(hào)與所述主控處理器連接；所述捷聯(lián)慣性導(dǎo)航儀與所述第二電平轉(zhuǎn)換電路連接，所述第二電平轉(zhuǎn)換電路通過一路RS232信號(hào)與所述主控處理器連接；所述高度速度傳感器與所述第一ADC模塊連接，所述第一ADC模塊通過4路A/D信號(hào)與所述主控處理器連接。

作為本實(shí)用新型的優(yōu)選方式，所述接口模塊還包括第二ADC模塊、第三電平轉(zhuǎn)換電路和PWM驅(qū)動(dòng)模塊，所述4路A/D接口與所述第二ADC模塊連接，所述第二ADC模塊通過4路A/D信號(hào)與所述主控處理器連接；所述6路DIO接口與所述第三電平轉(zhuǎn)換電路連接，所述第三電平轉(zhuǎn)換電路通過6路DIO信號(hào)與所述主控處理器連接；所述6路PWM接口與所述PWM驅(qū)動(dòng)模塊連接，所述PWM驅(qū)動(dòng)模塊通過6路PWM信號(hào)與所述主控處理器連接；所述4路RS232接口通過4路RS23信號(hào)與所述主控處理器連接。

本實(shí)用新型提供的小型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，處理器是“FPGA+ARM”處理架構(gòu)，“FPGA+ARM”處理架構(gòu)的處理器平臺(tái)，可以把可編程邏輯看成是處理器外設(shè)中一個(gè)具有可重配置特點(diǎn)的“外設(shè)”，比如當(dāng)串行接口或以太網(wǎng)接口不夠時(shí)，可以用可編程邏輯來擴(kuò)展；其次也可將其看成一個(gè)與處理器對(duì)等的主設(shè)備，其可主動(dòng)完成與外部芯片的數(shù)據(jù)交互。通過這樣的結(jié)合，既發(fā)揮了處理器在處理復(fù)雜控制算法、運(yùn)行操作系統(tǒng)等方面的優(yōu)勢(shì)，又利用FPGA在并行算法加速、可動(dòng)態(tài)重配置的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)加速，增強(qiáng)了靈活性；同時(shí)基于片內(nèi)結(jié)合的方案，減少了板子面積，降低了功耗，也加快了硬件開發(fā)的速度。此外，系統(tǒng)采用主控模塊、傳感器模塊、接口模塊、電源模塊四部分設(shè)計(jì)，系統(tǒng)耦合度小，具有豐富的輸入輸出信號(hào)的接口資源，方便升級(jí)硬件。此外，本無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，該存儲(chǔ)設(shè)備為Nand Flash存儲(chǔ)器，其具有較大的存儲(chǔ)容量，一般為4Gb，以備對(duì)飛行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的主控模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

本實(shí)用新型實(shí)施例公開了一種小型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)包括電源模塊、接口模塊、主控模塊、傳感器模塊。參照?qǐng)D1所示，接口模塊、主控模塊以及傳感器模塊分別與電源模塊連接，接口模塊、傳感器模塊還分別與主控模塊連接。

無人機(jī)機(jī)載電源輸入一般為9V～12V直流，電壓電源模塊用于將機(jī)載電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各部分所需的+5V、+3.3V、+1.8V、+1.5V、+1.0V、+0.75V直流電，并給各部分供電。

主控模塊是本實(shí)用新型的核心模塊，具有兩個(gè)主要功能：一是飛行控制，即保持無人機(jī)飛行姿態(tài)與航跡穩(wěn)定，以及根據(jù)地面遙控指令的要求改變飛行姿態(tài)與航跡；二是飛行管理，即完成導(dǎo)航計(jì)算、遙測(cè)數(shù)據(jù)傳送、故障診斷處理、應(yīng)急情況處理、任務(wù)設(shè)備的控制與管理等。主控模塊在每個(gè)控制周期內(nèi)實(shí)時(shí)處理傳感器數(shù)據(jù)，得到無人機(jī)的位置和姿態(tài)信息，根據(jù)預(yù)設(shè)置的航跡信息，解算出控制量，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作，保持無人機(jī)穩(wěn)定自主飛行。

主控模塊的設(shè)計(jì)需要保證處理器最小系統(tǒng)正常工作，包括設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、調(diào)試接口電路、存儲(chǔ)器電路。通過這些設(shè)計(jì)，組成了一個(gè)比較完整的，能夠滿足飛行控制基本要求的飛行控制硬件最小系統(tǒng)。時(shí)鐘電路為主控模塊提供時(shí)鐘信號(hào),復(fù)位電路保證主控模塊能夠正常復(fù)位,調(diào)試接口使得用戶能夠通過JTAG模式對(duì)其進(jìn)行調(diào)試,存儲(chǔ)器電路為飛行控制軟件和飛行原始數(shù)據(jù)提供足夠的存儲(chǔ)空間。

參照?qǐng)D2所示，主控模塊結(jié)構(gòu)包括主控處理器、JTAG調(diào)試接口、Nand Flash存儲(chǔ)器、DDR3、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路。其中，JTAG調(diào)試接口、Nand Flash存儲(chǔ)器、DDR3、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路分別與主控處理器連接。

優(yōu)選地，主控處理器的架構(gòu)采用“FPGA+ARM”處理架構(gòu)，主控處理器的芯片選用Zynq-7000系列的XC7Z020芯片，該芯片支持浮點(diǎn)運(yùn)算，擁有較為豐富的接口資源，控制功能強(qiáng)大?？梢酝瓿尚⌒蜔o人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的飛行控制和任務(wù)管理功能。

時(shí)鐘電路為主控模塊提供時(shí)鐘信號(hào)?，F(xiàn)有技術(shù)中，嵌入式處理器都是時(shí)序電路，需要一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)提供時(shí)序基準(zhǔn)。大多數(shù)處理器內(nèi)部都具有晶體振蕩器，只需提供外部時(shí)鐘源即可正常工作，所以需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的時(shí)鐘電路。在本實(shí)施例中，選用40MHz的時(shí)鐘電路為XC7Z020芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，并且可以通過XC7Z020內(nèi)部相位鎖定環(huán)路(PLL)來獲得設(shè)計(jì)中所需的工作頻率。XC7Z020系統(tǒng)時(shí)鐘模塊包括：主時(shí)鐘源(40MHz)、相位鎖定環(huán)路(PLL)、時(shí)鐘分頻器、晶體振蕩器等。

復(fù)位電路保證主控模塊能夠正常復(fù)位。復(fù)位電路是確保電路正常工作必不可少的一部分，復(fù)位電路的主要功能是上電復(fù)位。由于處理器電路是時(shí)序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，因此在處理器上電時(shí)，應(yīng)該有一個(gè)復(fù)位邏輯將處理器初始化到一個(gè)確定的狀態(tài)。最簡(jiǎn)單的復(fù)位電路是阻容復(fù)位電路，電路簡(jiǎn)單，成本低廉。XC7Z020芯片有多種復(fù)位源，可產(chǎn)生內(nèi)部和外部復(fù)位信號(hào)的觸發(fā)事件。其中，外部復(fù)位源有：上電復(fù)位、外部硬件復(fù)位和外部軟件復(fù)位；內(nèi)部復(fù)位源有：PLL鎖相失效、處理器時(shí)鐘切換、軟件看門狗復(fù)位、JTAG調(diào)試復(fù)位等。本實(shí)施例中系統(tǒng)上電復(fù)位主要采用阻容復(fù)位電路，在系統(tǒng)上電時(shí)，該復(fù)位電路主要向XC7Z020芯片的PS部分提供硬件上電復(fù)位，向PL部分提供上電復(fù)位。

JTAG調(diào)試接口使得用戶能夠通過JTAG模式對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)調(diào)試接口并非必須，但是在開發(fā)調(diào)試階段必不可少。飛行控制軟件功能復(fù)雜，在調(diào)試時(shí)需要查看程序運(yùn)行、邏輯時(shí)序、相關(guān)變量以及寄存器值等，所以調(diào)試接口也顯得很重要。本實(shí)用新型采用Xilinx Platform Cable USB II調(diào)試器來調(diào)試程序，同時(shí)需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)試接口電路，該系統(tǒng)調(diào)試接口電路是JTAG調(diào)試接口電路。

Nand Flash存儲(chǔ)器、DDR3，為飛行控制軟件和飛行原始數(shù)據(jù)提供足夠的存儲(chǔ)空間。目前，飛行控制軟件和導(dǎo)航軟件越來越龐大，加之無人機(jī)在飛行任務(wù)中，需要飛行控制器提供工作過程中的重要參數(shù)(如控制律系數(shù)、航路信息、調(diào)零信息)，所以飛控計(jì)算機(jī)需要足夠的數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)空間來存儲(chǔ)無人機(jī)飛行任務(wù)的各類信息。但是在現(xiàn)有技術(shù)中，無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)各類傳感器數(shù)據(jù)采集和飛行控制功能，并沒有用于飛行關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，不能對(duì)飛行參數(shù)進(jìn)行回放。為解決上述缺陷，本實(shí)用新型設(shè)有用于存儲(chǔ)飛行數(shù)據(jù)的Nand Flash存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)采集的相關(guān)參數(shù)(傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)相關(guān)數(shù)據(jù)和GPS接收機(jī)原始差分?jǐn)?shù)據(jù))、飛行控制軟件、設(shè)備管理軟件(基于Xilinx SDK)、航跡信息以及為系統(tǒng)二次開發(fā)保留的存儲(chǔ)余量。在本實(shí)施例中所備選的Nand Flash存儲(chǔ)器型號(hào)為MT29F4G08ABADAWP，其容量為4Gb。Nand Flash與Nor Flash相比較，其具有存儲(chǔ)容量大、地址線較少等特點(diǎn)。

小型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)功能復(fù)雜，因此需要多種類型的接口來完成其控制功能。接口模塊是連接主控模塊與外部器件的中間環(huán)節(jié)，具有進(jìn)行電平變換、對(duì)CPU接口提供緩沖保護(hù)和增強(qiáng)輸出驅(qū)動(dòng)能力的作用。

參照?qǐng)D1所示，接口模塊包括連接口，連接口包括4路RS232接口、4路A/D接口、6路DIO接口、6路PWM接口。此外，接口模塊還包括第二ADC模塊、第三電平轉(zhuǎn)換電路和PWM驅(qū)動(dòng)模塊，4路A/D接口與第二ADC模塊連接，第二ADC模塊通過4路A/D信號(hào)與主控處理器連接；6路DIO接口與第三電平轉(zhuǎn)換電路連接，第三電平轉(zhuǎn)換電路通過6路DIO信號(hào)與主控處理器連接；6路PWM接口與PWM驅(qū)動(dòng)模塊連接，PWM驅(qū)動(dòng)模塊通過6路PWM信號(hào)與主控處理器連接；4路RS232接口通過4路RS232信號(hào)與主控處理器連接。

A/D接口，用于對(duì)模擬信號(hào)的采集，ADC模塊用于將模擬信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)并與主控處理器通信。

PWM接口，主要輸出驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，PWM模塊主要功能是依據(jù)控制律解算任務(wù)，按照解算出的參數(shù)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作。在主控芯片中有相關(guān)能產(chǎn)生PWM信號(hào)的模塊，一般都是定時(shí)器，通過應(yīng)用程序設(shè)置該定時(shí)器產(chǎn)生高電平的周期來控制有效脈沖寬度，從而達(dá)到控制PWM信號(hào)的作用。

DIO接口則是控制外部離散量設(shè)備以及捕獲外部離散量信號(hào)，離散量接口完成輸入和輸出離散量的采集。主要用于離車信號(hào)、停車、開傘等開關(guān)量信號(hào)的處理。在性能上要求輸入輸出端口的耐壓值要高、輸入和輸出工作方式可以靈活設(shè)置。由于離散量的驅(qū)動(dòng)電平均為5V(TTL)，而主控處理器的IO管腳電平通常為3.3V(CMOS)，所以在接口模塊和主控模塊之間需要設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路。

RS232接口主要外接串行傳感器以及用于串口備份。

在本實(shí)施例中，傳感器模塊負(fù)責(zé)采集小型無人機(jī)飛行控制器所需的各種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的用途有二：第一，為飛行控制器的控制律解算及導(dǎo)航提供所需參數(shù)；第二，原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，供后期分析飛行數(shù)據(jù)。傳感器模塊包括GPS接收機(jī)、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航儀、高度速度傳感器。

為使各個(gè)傳感器順利與主控處理器通信，傳感器模塊還包括第一ADC模塊、第一電平轉(zhuǎn)換器和第二電平轉(zhuǎn)換器，GPS接收機(jī)與第一電平轉(zhuǎn)換電路連接，第一電平轉(zhuǎn)換電路通過一路RS232信號(hào)與主控處理器連接；捷聯(lián)慣性導(dǎo)航儀與第二電平轉(zhuǎn)換電路連接，第二電平轉(zhuǎn)換電路通過一路RS232信號(hào)與主控處理器連接；高度速度傳感器與第一ADC模塊連接，第一ADC模塊通過4路A/D信號(hào)與主控處理器連接。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。