[發(fā)明專利]一種微型撲翼飛行器飛控導(dǎo)航系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110369723.5
• 申請(qǐng)日: 2011-11-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102426457A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋筆鋒;王利光;付鵬;楊文青;李洋;王進(jìn);李博揚(yáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08;G01S19/39;G08C17/02
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及飛行器控制領(lǐng)域，尤其是一種飛行器飛控導(dǎo)航系統(tǒng)。

背景技術(shù)

微型撲翼飛行器是一種模仿鳥(niǎo)類或昆蟲(chóng)飛行的新概念飛行器，它采用一對(duì)或幾對(duì)撲動(dòng)翼同時(shí)產(chǎn)生升力和推力進(jìn)行飛行，具有體積小、重量輕、隱蔽性好、使用靈活、效率高等優(yōu)勢(shì)，如果搭載相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸和飛行控制系統(tǒng)，就能形成微型撲翼無(wú)人飛行器平臺(tái)，具有廣闊的軍用和民用前景。目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)都在開(kāi)展微型撲翼無(wú)人機(jī)這方面的研究，其中比較有影響力的有美國(guó)Aero?Vironment公司的“Microbat”、荷蘭Delft大學(xué)的“Delfly”等；2011年年初Aero?Vironment公司又展示了最新的“Nano?Hummingbird”微型撲翼飛行器，該飛行器能像蜂鳥(niǎo)一樣飛行，具有圖像偵查能力和較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力。這些微型撲翼飛行器雖然已經(jīng)具備一定的實(shí)用價(jià)值，但是它們都沒(méi)有搭載自主飛行設(shè)備，必須通過(guò)地面遙控進(jìn)行飛控控制，距離真正實(shí)用的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)還有一定差距。

飛控導(dǎo)航系統(tǒng)難以用于微型撲翼飛行器有以下幾點(diǎn)原因：第一，微型撲翼飛行器的飛行控制固有的復(fù)雜性。一方面，撲翼飛行過(guò)程伴有大幅度俯仰和浮沉的周期性波動(dòng)，同時(shí)微型撲翼飛行器質(zhì)量輕、慣量小，外界擾動(dòng)影響顯著，這些都會(huì)使飛控導(dǎo)航系統(tǒng)傳感器單元的測(cè)量值發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法進(jìn)行的姿態(tài)解算發(fā)散；另一方面，由于微型撲翼飛行器質(zhì)量輕、慣量小，控制響應(yīng)敏感，容錯(cuò)性低，而其所受外界擾動(dòng)又需要控制輸出進(jìn)行抵消，這就要求飛控導(dǎo)航系統(tǒng)的控制輸出既要具有較高的響應(yīng)速度以維持姿態(tài)，又需要避免過(guò)大的輸出量值甚至是反向輸出，也就是既快且準(zhǔn)。第二，作為微型飛行器的機(jī)載設(shè)備，微型撲翼飛行器飛控導(dǎo)航系統(tǒng)必須具有足夠小的體積和重量，對(duì)器件選型、電路設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)等方面都提出了苛刻的要求。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有飛控導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于微型撲翼飛行器會(huì)出現(xiàn)的姿態(tài)解算發(fā)散、控制輸出的響應(yīng)速度和控制精度不足、體積和重量無(wú)法滿足安裝要求的不足，本發(fā)明提供一種適合微型飛行器特別是微型撲翼飛行器使用的飛控導(dǎo)航系統(tǒng)，并使之具備體積小、重量輕、姿態(tài)解算魯棒性強(qiáng)、控制輸出響應(yīng)速度快，控制精度高的特點(diǎn)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括飛控導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、傳感器單元、存儲(chǔ)單元、GPS接收機(jī)、GPS天線和數(shù)據(jù)通訊接口，全部集成于1塊Pcb板。

所述飛控導(dǎo)航計(jì)算機(jī)采用Power?PC處理器。該型處理器集成豐富的外圍接口，能減小飛控導(dǎo)航系統(tǒng)的重量和尺寸；具備浮點(diǎn)運(yùn)算能力，計(jì)算精度高，能提高姿態(tài)解算水平和控制輸出精度。

所述傳感器單元包括三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、三軸磁強(qiáng)計(jì)、靜壓傳感器和動(dòng)壓傳感器，其中加速度計(jì)、陀螺儀、磁強(qiáng)計(jì)采用MEMS傳感器，具有尺寸小、重量輕的特點(diǎn)；輸出的各傳感器信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換后由數(shù)據(jù)通訊接口的SPI接口送入飛控導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。

所述GPS接收機(jī)通過(guò)GPS天線接收GPS信號(hào)，再將GPS信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)通訊接口的UART接口送入飛控導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行配置。

所述存儲(chǔ)單元包括SRAM存儲(chǔ)器和FLASH存儲(chǔ)器，通過(guò)數(shù)據(jù)通訊接口的高速總線與飛控導(dǎo)航計(jì)算機(jī)相連，飛控導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的所有程序和數(shù)據(jù)都在SRAM存儲(chǔ)器中運(yùn)行，能夠保證運(yùn)算速度和訪問(wèn)速度。

所述飛控導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)通訊接口的PWM輸出接口向舵機(jī)和電子調(diào)速器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出控制指令，從而完成控制的執(zhí)行。

所述飛控導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)通訊接口中專用的UART接口與數(shù)據(jù)鏈路相連，通過(guò)該接口進(jìn)行遙測(cè)數(shù)據(jù)和遙控命令通訊。

所述數(shù)據(jù)通訊接口還包括1個(gè)串口，用戶通過(guò)該串口與所述飛控導(dǎo)航計(jì)算機(jī)信息交換，可交換的信息包括航路、控制參數(shù)和飛行數(shù)據(jù)。

所述傳感器單元使用獨(dú)立的高精度參考電源供電，傳感器單元的模擬電路與飛控計(jì)算機(jī)的數(shù)字電路之間有物理隔離，防止信號(hào)串?dāng)_，可以獲得高精度、低噪音的測(cè)量信號(hào)。

上述硬件的Pcb設(shè)計(jì)方面考慮電磁兼容問(wèn)題，在傳統(tǒng)多層板的基礎(chǔ)上再次增加地層和電源層，將總線和時(shí)鐘線布于隔離層內(nèi)部，縮短總線和時(shí)鐘線的長(zhǎng)度，提高電磁兼容性。

飛控導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的內(nèi)部功能模塊包括通訊控制模塊，遙控處理模塊，航路生成模塊，位置、速度、姿態(tài)控制模塊，慣性導(dǎo)航和姿態(tài)解算模塊，手動(dòng)模式模塊，傳感器采集處理模塊和數(shù)據(jù)記錄、遙測(cè)模塊。