一種基于以太網(wǎng)交換總線的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，尤其涉及一種基于以太網(wǎng)交換總線的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]飛控技術(shù)發(fā)展的經(jīng)歷了從第一代(增穩(wěn))、第二代(自主導(dǎo)航)，向第三代(圖像智能識(shí)別和避障)發(fā)展，現(xiàn)有的無人機(jī)飛控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本上建立在第一代和第二代技術(shù)基礎(chǔ)上，技術(shù)發(fā)展上存在瓶頸，典型特征如下:
[0003]( I)多個(gè)通信鏈路單同時(shí)使用，設(shè)備眾多:地面與飛機(jī)的通信存在3種鏈路，第I種鏈即遙控器鏈路，常見的鏈路頻率72M、433M、2.4G,5.8G等，這是一個(gè)從地面?zhèn)飨蝻w機(jī)的單向無線通信鏈路，承載著多路遙控器通道的遙桿控制量信息;第2種鏈路即飛機(jī)與地面站的雙向通信鏈路，常見頻率4331、9001、2.46等，一方面，飛機(jī)的飛行狀態(tài)參數(shù)要傳回地面，另一方面，地面站對(duì)飛機(jī)的各種參數(shù)配置或控制指令要傳給飛機(jī);第3種鏈路即圖傳鏈路，常見的頻率900M、2.4G、5.SG等，這是一個(gè)將視頻圖像或者疊加了飛機(jī)飛行狀態(tài)參數(shù)的視頻圖像傳回地面的單向回傳鏈路。
[0004](2)視覺導(dǎo)航、圖像識(shí)別與避障是飛控技術(shù)發(fā)展主要方向之一，現(xiàn)有的飛控技術(shù)架構(gòu)中，飛控計(jì)算機(jī)不能在支持GPS+慣性導(dǎo)航模式時(shí)，同時(shí)做視覺圖像處理，目前有的做法是，將圖像傳回地面，由地面計(jì)算機(jī)進(jìn)行視覺處理，然后將結(jié)果從地面發(fā)送給飛控計(jì)算機(jī)，這種結(jié)構(gòu)在地面與飛控計(jì)算機(jī)的無線鏈路斷掉時(shí)存在諸多問題。
[0005](3)在目前消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，確實(shí)有將無人機(jī)實(shí)拍圖像直接共享到互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際需求，工業(yè)級(jí)無人機(jī)中，客戶需要將數(shù)字高清視頻圖像實(shí)時(shí)回傳到監(jiān)控指揮中心，傳統(tǒng)的飛控技術(shù)架構(gòu)不支持無人機(jī)的這種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式。
[0006](4)現(xiàn)有的視頻圖像的回傳，大多數(shù)是基于模擬視頻信號(hào)，圖像不清晰，還需要一個(gè)稱為1SD的設(shè)備，這個(gè)設(shè)備實(shí)際上就將高清攝像機(jī)的模擬視頻信號(hào)與飛行參數(shù)進(jìn)行疊加回傳地面，因此雖然飛機(jī)上存儲(chǔ)的是高清圖像，但回傳到地面的圖像是疊加了飛行狀態(tài)參數(shù)的模擬圖像，而人們往往需要實(shí)時(shí)看到飛機(jī)上拍攝的高清數(shù)字圖像。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型的目的在于解決市面上的無人機(jī)飛行控制多個(gè)通信鏈路，并存且設(shè)備眾多，在支持視覺導(dǎo)航、圖像識(shí)別與避障，高清數(shù)字圖像實(shí)時(shí)接入互聯(lián)網(wǎng)或監(jiān)控指揮中心或地面站，支持高清數(shù)字圖像回傳地面站等新技術(shù)需求上，傳統(tǒng)的共享式總線無法解決解決這些大容量數(shù)據(jù)的高速交換，本實(shí)用新型提供了一種新型的基于以太網(wǎng)交換總線的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)。
[0008]本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種基于以太網(wǎng)交換總線的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，包括飛控計(jì)算機(jī)(ARM)、飛行指示燈控制模塊(LED+)、超聲波傳感器、光流傳感器、電源管理模塊(PMU)、蓄電池、慣性測(cè)量單元(MJ)、衛(wèi)星導(dǎo)航單元(GPS/BD)、電機(jī)、舵機(jī)，所述飛行指示燈控制模塊(LED+)、超聲波傳感器、光流傳感器通過CAN總線與所述飛控計(jì)算機(jī)(ARM)信號(hào)連接，所述電源管理模塊(PMU)與蓄電池連接，所述電源管理模塊(PMU)Jt^測(cè)量單元(頂U(kuò))、衛(wèi)星導(dǎo)航單元(GPS/BD)通過另外一條CAN總線與所述飛控計(jì)算機(jī)(ARM)信號(hào)連接，所述飛控計(jì)算機(jī)(ARM)分別與電機(jī)、舵機(jī)信號(hào)連接，所述飛控計(jì)算機(jī)(ARM)還嵌入有以太網(wǎng)交換芯片(LANswitch)，所述以太網(wǎng)交換芯片(LANswitch)與飛控計(jì)算機(jī)(ARM)通過局域網(wǎng)(LAN)連接，所述以太網(wǎng)交換芯片(LANswitch)與飛控外圍模塊通過局域網(wǎng)(LAN)連接。
[0009]進(jìn)一步地，所述飛控外圍模塊包括4G模塊、視覺計(jì)算機(jī)(DSP+ARM)、高清運(yùn)動(dòng)相機(jī)(IPCAM)、無線模塊(WIFI);
[0010]所述4G模塊可以通過以太網(wǎng)交換式總線將高清運(yùn)動(dòng)相機(jī)(IPCAM)的高清數(shù)字圖像通過無線模塊接入互聯(lián)網(wǎng)或傳回監(jiān)控指揮中心，也可以通過視覺計(jì)算機(jī)(DSP+ARM)的USB口，可將飛行器實(shí)拍視頻實(shí)時(shí)接入互聯(lián)網(wǎng)或傳回指揮中心；
[0011]所述視覺計(jì)算機(jī)(DSP+ARM)內(nèi)部有DSP處理器、ARM處理器，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，以百兆以太網(wǎng)口與所述飛控計(jì)算機(jī)(ARM)連接，通過所述飛控計(jì)算機(jī)(ARM)上的以太網(wǎng)交換芯片(LANswitch)所擴(kuò)展的以太網(wǎng)交換式總線接收高清運(yùn)動(dòng)相機(jī)(IPCAM)傳回的圖片，進(jìn)行圖像的分析解算，并與光流傳感器、超聲波傳感器、慣性測(cè)量單元(MU)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，進(jìn)行視覺導(dǎo)航、障礙規(guī)避、圖像目標(biāo)識(shí)別跟蹤；
[0012]所述高清運(yùn)動(dòng)相機(jī)(IPCAM)直接出以太網(wǎng)口與飛控計(jì)算機(jī)(ARM)所擴(kuò)展的以太網(wǎng)交換式總線進(jìn)行連接，支持多個(gè)視頻流的轉(zhuǎn)發(fā)，一方面直接通過以太網(wǎng)交換芯片(LANswitch)將高清數(shù)字化視頻流傳回地面，另一方面通過以太網(wǎng)交換芯片(LANswitch)將高清視頻數(shù)據(jù)傳給視覺計(jì)算機(jī)(DSP+ARM)進(jìn)行圖像計(jì)算，還通過以太網(wǎng)交換式總線將高清運(yùn)動(dòng)相機(jī)(IPCAM)的高清數(shù)字圖像通過無線模塊接入互聯(lián)網(wǎng)或傳回監(jiān)控指揮中心，也可通過視覺計(jì)算機(jī)(DSP+ARM)的USB 口下掛4G模塊，將全數(shù)字高清視頻數(shù)據(jù)直接接入互聯(lián)網(wǎng)或指揮中心；
[0013]所述無線模塊(WIFI)通過以太網(wǎng)交換式總線將遙控器指令流、飛控指令流、飛行狀態(tài)參數(shù)流、高清數(shù)字圖壓縮像碼流直接匯聚，與地面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，地面有一個(gè)WIFI中繼模塊，可使WIFI信號(hào)無遮擋的情況下延伸超過I公里。
[0014]進(jìn)一步地，所述飛控計(jì)算機(jī)(ARM)為高性能的ARM芯片及I/O電路，外圍支持2條CAN總線、多個(gè)PWM口、通過太網(wǎng)交換芯片(LANswitch)擴(kuò)展的多個(gè)百兆以太網(wǎng)接口、2個(gè)USB口和I個(gè)調(diào)試串口，接受PMU模塊的5V供電和蓄電池電量監(jiān)測(cè)信號(hào)；
[0015]所述飛行指示燈控制模塊(LED+)內(nèi)有無人機(jī)航向燈及飛行狀態(tài)指示燈的驅(qū)動(dòng)芯片、單片機(jī)，CAN總線與飛控計(jì)算機(jī)(ARM)連接，模塊上有USB口擴(kuò)展，用來進(jìn)行飛控的調(diào)參和固件升級(jí)；
[0016]飛控計(jì)算機(jī)(ARM)支持多個(gè)超聲波傳感器或其他水平測(cè)距傳感器，所述超聲波傳感器內(nèi)有單片機(jī)，CAN總線接入飛控核心模塊，能夠配合視覺計(jì)算機(jī)(DSP+ARM)的視覺算法，進(jìn)行無人機(jī)的障礙規(guī)避和圖像目標(biāo)識(shí)別跟蹤；
[0017]所述光流傳感器核心功能是在衛(wèi)星導(dǎo)航單元(GPS/BD)信號(hào)丟失的情況下或在室內(nèi)，與慣性測(cè)量單元(MU)數(shù)據(jù)融合進(jìn)行飛行器姿態(tài)和位置解算，進(jìn)行視覺導(dǎo)航；
[0018]所述電源管理模塊(PMU)—邊接3S-6S的蓄電池，內(nèi)部有AC/DC進(jìn)行電壓變換和防接反電路，通過3PIN接口線連接到飛控計(jì)算機(jī)(ARM)，給飛控計(jì)算機(jī)(ARM)供電，并提供蓄電池電壓檢測(cè)信號(hào)；
[0019]所述慣性測(cè)量單元(IMU)包含三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、氣壓高度計(jì)、單片機(jī)，CAN總線與飛控計(jì)算機(jī)(ARM)連接，與衛(wèi)星導(dǎo)航單元(GPS/BD)做數(shù)據(jù)融合進(jìn)行飛行器姿態(tài)解算和位置解算；
[0020]所述衛(wèi)星導(dǎo)航單元(GPS/BD)為GPS/北斗接收芯片、磁羅盤、單片機(jī)，CAN總線與飛控計(jì)算機(jī)(ARM)連接，支持GPS和北斗導(dǎo)航定位，支持磁航向計(jì)對(duì)飛行器姿態(tài)的解算，并與慣性測(cè)量單元(IMU)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終由飛飛控計(jì)算機(jī)(ARM)解算飛行器姿態(tài)和飛行器位置。
[0021]一種基于以太網(wǎng)交換總線的無人機(jī)飛行控制方法，所述飛控計(jì)算機(jī)(ARM)內(nèi)燒錄有飛控程序模塊，所述慣性測(cè)量單元(IMU)內(nèi)燒錄有航姿解算程序模塊，所述衛(wèi)星導(dǎo)航單元(GPS/BD)內(nèi)燒錄有GPS導(dǎo)航程序模塊，所述飛行指示燈內(nèi)燒錄有飛行狀態(tài)指示燈控制程序模塊，超聲波傳感器燒錄有超聲波程序模塊，所述光流傳感器燒錄有光流程序模塊；
[0022]所述飛控程序模塊通過CAN通訊協(xié)議程序分別與所述慣性測(cè)量單元(MU)內(nèi)燒錄的航姿解算程序模塊、衛(wèi)星導(dǎo)航單元(GPS/BD)內(nèi)燒錄的GPS導(dǎo)航程序模塊、飛行指示燈控制模塊(LED+)內(nèi)燒錄的飛行狀態(tài)指示燈控制程序模塊、超聲波傳感器燒錄的超聲波程序模塊、光流傳感器燒錄的光流程序模塊連接，飛控程序模塊內(nèi)還有實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速控制器(ESC)并調(diào)節(jié)直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)程序模塊。
[0023]進(jìn)一步地，所述飛控程序模塊包括應(yīng)用級(jí)程序模塊、實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度程序
[0024]和外部中斷處理程序模塊、硬件初始化程序模塊、硬件驅(qū)動(dòng)程序模塊、CAN通信協(xié)議程序模塊、LAN( TCP/IP)通信協(xié)議程序模塊，所述應(yīng)用級(jí)程序模塊與實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度程序和外部