专利名称：基于can总线的主从负担式余度无人飞机自动驾驶仪的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及航空技术领域，更具体地说，本发明涉及应用于小型无人飞机的 自动驾驶仪。
技术背景-
自动驾驶仪是无人飞机(以下简称无人机)自动飞行控制、导航系统的基本 组成与核心器件，它可以协助或者完全取代驾驶员的职能，在很少人为干预的情 况下自主控制无人机飞行。自动驾驶仪在现代无人机上，特别是在小型无人机上 获得了广泛应用。
现有技术中的自动驾驶仪一般如图2所示。电路的核心器件是一个微处理器， 负责对输入的各种信息进行处理，同时将处理结果输出到各种外设接口，驱动外 设工作，从而实现无人机的自动驾驶。
图2所示的自动驾驶仪，由姿态获取装置7测量无人机的当前姿态信息，包括 俯仰角、滚转角和航向角；由大气传感器6测量无人机的当前高度信息、空速信 息等；GPS接收机1输出无人机当前的位置信息，如经度、纬度等。上行通讯接 口4接收地面控制站的指令，用于对飞行状态和参数进行设置。微型处理器2根据 姿态获取装置7、大气传感器6、 GPS接收机1以及上行通讯接口4输入的数据，通 过一定的控制算法计算出当前的无人机的油门大小，舵面的舵量，输出给舵机和 螺旋桨电机3，以驱动舵机带动无人机上的控制舵面进行偏转，实现无人机自主 飞行。同时无人机的位置、高度和姿态等信息通过下行通讯接口5发送到地面控 制站，便于地面控制人员对无人机进行监控。
目前有许多成熟的商业产品可用作无人机自动驾驶仪，但是其重量、功耗等 各方面难以满足小型无人机的要求。以PC104系统为例，目前基于PC104总线的 无人机自动驾驶仪，由控制板、通讯板、信号处理板、接口板、电源板等多块插 件组成，很难根据不同系统的性能进行有效裁减，成本高。PC104复位启动时间 至少需要数秒，需要作较复杂的修改才可以减小启动时间。此外，很多小型无人机自动驾驶仪采取非模块化设计方案，虽然有利于实现小型化、低成本和低功耗， 但使得系统难以扩展，并且安装调试不方便。
现有的自动驾驶仪存在以下不足之处需要改进
1、 使用单一处理器，处理能力有限，难以实现系统冗余设计。由于小型无 人机的带载能力有限，要求机载器件既要重量轻，又要功耗低，所以多数只采用 一个微型处理器，单一处理器既要采集各种传感器的数据，对于小型无人机，由 于其自身转动惯量非常小，很容易受气流扰动的影响，因而对控制器的响应速度 提出更高要求，单一处理器难以胜任。
2、 系统维护不便，功能扩展难度大，升级困难。现有的技术虽然采用模块 化设计理念，但各模块接口单一固定，预留的扩展接口有限，系统灵活性差，不 能适应小型无人机多功能的需求。
3、 采用成品的姿态获取装置如包含传感器的惯性航姿系统或者磁罗盘，自 动驾驶仪中的微处理器并不包含姿态解算算法，不能对多传感器数据进行融合和 优化使用，因而只能利用部分姿态角信息进行飞行控制，这在翼展较大的无人机 上是可行的，但是对于小型无人机的控制并不适用。
发明内容
本发明的主要目的有三点 一是为了提高自动驾驶仪的实时性、可靠性和容
错能力；二是为了改进自动驾驶仪的姿态测量单元;三是为了提供一种灵活方便、 可用于小型无人机的自动驾驶仪。
为此，本发明设计了一种基于CAN总线的主从负担式余度无人机自动驾驶
仪，其总体技术方案是采取模块化设计思想将小型飞行控制系统按功能划分为 五大模块主控制模块、传感器模块、无线通讯模块、舵机控制器模块和扩展模
块，各模块通过CAN总线进行数据通讯。
主控制模块根据主控制模块包含的两大功能，采取双CPU架构来实现。根 据软硬件需求将飞行控制任务分成两部分第一飞行控制计算机负责实时采集处 理传感器模块数据，进行控制律解算，并发送控制信号给舵机控制器模块，驱动 舵机工作，保持无人机稳定飞行；第二飞行控制计算机负责航路规划和导航制导
等任务，并通过无线通讯模块接收地面站控制指令和下传遥测信息。
传感器模块传感器模块是为主控制模块提供各种飞行参数的装置，主要由以下三类组成 一类是大气机包括高度计和空速计，大气机输出的模拟信号经 过A/D转换器后通过SPI总线发送给第一飞行控制计算机； 一类是惯性测量单元
包括三轴角速率陀螺ADXRS300、两轴直线加速度计ADXL210，惯性测量单元 则将采集的信息通过CAN总线发送给第一飞行控制计算机；另一类是GPS接收 机，GPS接收机通过串口与第一飞行控制计算机连接。
舵机控制器模块舵机控制器模块以单片机为核心，555构成的振荡器作为 定时基准，单片机通过对555振荡器产生的脉冲信号进行计数来产生PWM信号。 该控制器中单片机可以产生8个通道的PWM信号，分别由单片机的P1.0 P1.7端 口输出。输出的8路PWM信号通过光耦隔离传送到下一级电路中，因为信号在通 过光耦传送过程中进行了反相，因此从光耦出来的信号必须再经过反相器进行反 相，从而产生标准的PWM信号。
无线通讯模块无线通讯模块负责地面部分与机载部分之间信息交换。本系 统共有两组通讯链路 一组是小型无人机的遥控信号链路，飞机操控员手持遥控 器发射无线电波，机载无线接收器根据遥控信号来遥控无人机的飞行。另外一组 无线遥测链路完成无人机状态和航迹等信息的下传任务。
扩展模块自动驾驶仪预留了两路CAN总线扩展接口其中一路为主从CPU
上的CAN接口，此扩展接口便于实现CAN总线冗余设计；另一路为CAN总线上 引出的扩展接口，可用于实现功能模块扩展。
本发明还包括两个复位电路， 一个为主控制模块提供复位信号，另一个为舵 机控制器模块提供复位信号。
本发明还包括一个电源管理模块，该电源管理模块为自动驾驶仪提供1.8V， 3.3V， 5V电压，并为舵机提供单独供电，两者进行光耦隔离。
所述自动驾驶仪由四块电路板组成，其中母板包含主控制模块和舵机控制器 模块，另外三块子板分别为惯性测量单元、无线通讯模块和GPS接收机，均通 过20针接头与母版连接。
本发明的优点在于
1、本发明的自动驾驶仪主控制模块基于双CPU架构，采用主从负担式工作 方式，共同配合完成飞行控制任务，提高了自动驾驶仪的数据处理速度和控制响 应速度；同时，主从CPU又各自冗余整个飞行控制任务，保证了自动驾驶仪的高可靠性。
2、 本发明的自动驾驶仪传感器组包括惯性测量单元、大气传感器以及GPS 接收机，通过对传感器数据的融合和优化，得到精确而稳定的无人机全姿态信息 和导航信息。
3、 本发明的自动驾驶仪舵机控制器模块采用基于单片机的控制方法，通过
单独供电、光耦隔离等措施有效减小了舵机输出信号间的相互干扰，实现了多路 舵机的高精度控制。
4、 本发明的自动驾驶仪采用基于CAN总线的模块化设计思想，将飞行控制 系统划分为五大模块，提高系统灵活性，减小了模块间的耦合性，同时满足了小 型化和低成本的需求。
5、 自动驾驶仪支持在线系统仿真，自动识别是否有外接仿真设备，并能自 动在仿真模式和应用模式间切换。仿真模式下，传感器数据由外部仿真设备提供；
应用模式下，则由自动驾驶仪中的传感器模块提供。
图l是本发明的自动驾驶仪系统结构示意图。 图2是现有技术中的自动驾驶仪的结构示意图。 图3是自动驾驶仪实施内部示意图。 图4是主控制模块结构示意图。 图5是舵机控制器模块实施内部示意图。 图6是无线通讯模块结构示意图。 具体实施方法
现结合附图对本发明作进一步描述
图3所示的是本发明的组成框图，包括主控制模块、无线通讯模块、传感器 模块、舵机控制器模块、模块扩展接口；上述五大模块均分别与CAN总线双向 相连。
本发明的主控制模块包括两个微处理器， 一个为主CPU系统，另一个为从 CPU系统，以及电源调理电路，复位电路，双口RAM电路，存储器组扩展电路， 多串口设计电路和调试接口，如图4所示。存储器组扩展包括 一片1MBuPD448012GY-B70X作为存储系统的外部RAM， 一片4MB S29JL032H作为程序 存储空间， 一片8MBS29JL064H用于记录飞行数据和航路信息；多串口电路设计 采用串行口控制芯片TL16C754B，扩展了四路串口；调试接口包括串口ISP在 系统编程和JTAG调试接口，且JTAG采用菊花链结构，即主从CPU共用一个JTAG 调试接口。
如图1所示，本发明的传感器组包括GPS接收机、大气机和惯性测量单元。 GPS接收机通过RS232与主CPU通讯，采用可靠的UBX通讯协议，发送的数据中 包含无人机的经度、纬度、速度、航向的等导航信息。高度计测量无人机飞行高 度，空速计测量无人机相对于空气的速度，高度计和空速计采集到的模拟量信号 经过AD7888转换成数字信号，并通过SPI总线发送给第一飞行控制计算机；惯性 测量单元包含单片机微处理器、直线加速度计和三轴角速率陀螺。单片机微处理 器根据传感器测量的信号，采用包括卡尔曼滤波在内的算法，进行数据融合处理， 得到精确而稳定的飞行姿态角，通过CAN总线实时传输给第一飞行控制计算机。
本发明中，第二飞行控制计算机根据飞行环境特点和无人机自身的约束条 件，实时规划航路，得到最优的任务飞行航线，然后制定相应的导引律，通过双 口RAM输出给第一飞行控制计算机；第一飞行控制计算机中内置的程序存储器 中固化了飞行控制程序，根据所需的数据对无人机进行飞行控制。其中，所需的 数据包括来自传感器组的无人机姿态、导航信息、高度和空速信号，来自第二 飞行控制计算机制定的导引律，以及来自于无线通讯模块的地面指令。飞行控制 程序根据以上数据，按照第二飞行控制计算机制定的导引律解算出当前的无人机 发动机的风门开度和舵面控制指令发送给舵机控制器模块，驱动舵机工作，保持 无人机稳定飞行，完成飞行任务，同时将遥测信息通过无线通讯模块传送到地面 控制站。
如图5所示，舵机控制器模块由CAN总线获得第一飞行控制计算机的控制指 令， 一方面，将风门开度控制指令转换为PWM信号输出给油门舵机，从而控制 无人机的飞行速度；另一方面，将舵面控制指令转换为PWM信号输出给多路舵 机，多路舵机带动无人机上的多个控制舵面(包括副翼、升降舵和方向舵)偏转， 从而控制无人机的飞行姿态和高度。
如图6所示，无线通讯模块的硬件设备是MaxStream公司的9XTend OEM数传电台，该电台提供接口为RS232串口 ，通过串口转CAN口模块挂接在CAN总线上， 对其进行初始化设置后，可实现数据的传送。 一方面，实时接收地面站信号指令 传输给从CPU，实现无人机的地面干预飞行；另一方面，实时接收从CPU发送的 无人机状态信息，传输至地面站，实时监控无人机飞行。
电源管理电路为自动驾驶仪中的各个部分提供1.8V， 3.3V和5V稳压电源， 保证各部分正常工作。其中，电源管理电路包括与电池连接的电源接口、电压调 整电路和滤波电路，分别输出1.8V， 3.3V和5V电压，另外还输出一个独立的5V 电压为舵机供电，且两者不共地，通过光耦来隔离，有效抑制了舵机工作时对系 统电源的影响。
应当注意，在本发明中，自动驾驶仪支持在线系统仿真功能，即可以实现仿 真模式和应用模式的切换。以上叙述的是在应用模式下的具体实施方案。而在仿 真模式下，自动驾驶仪可屏蔽真实传感器模块，通过仿真系统获得模拟传感器数 据，经控制律解算后，回送舵机控制信号给仿真系统，完成自动驾驶仪在半实物 仿真下的系统性能评估。
权利要求
1、一种基于CAN总线的主从负担式余度无人飞机自动驾驶仪，其特征在于包括主控制模块、无线通讯模块、传感器模块、舵机控制器模块、模块扩展接口及CAN总线，其中主控制模块、无线通讯模块、传感器模块、舵机控制器模块、模块扩展接口均分别与CAN总线双向相连，实现各模块之间的数据通讯。
2、 根据权利要求1所述的基于CAN总线的主从负担式余度无人飞机自动 驾驶仪，其特征在于，所述的主控制模块，包括主CPU系统、从CPU系统及电 源调理电路、复位电路、双口RAM、 JTAG调试接口，所述的主CPU系统，包 括第一ISP调试接口，第一CAN总线接口电路，第一存储器组，串口扩展接 口，第一飞行控制计算机；所述的从CPU系统，包括第二ISP调试接口，第二 CAN总线接口电路，第二存储器组，第二飞行控制计算机，第一飞行控制计算 机分别与第一ISP调试接口、第一CAN总线接口电路、第一存储器组、串口扩 展接口、双口RAM及JTAG调试接口双向相连；第二飞行控制计算机分别与第 二ISP调试接口、第二CAN总线接口电路、第二存储器组双向相连，并与第一 飞行控制计算机一样，也同样分别与双口RAM及JTAG调试接口双向相连，电 源调理电路分别连于主CPU系统、从CPU系统及复位电路，复位电路的输出连 于主从CPU系统和双口 RAM的复位信号输入。
3、 根据权利要求1所述的基于CAN总线的主从负担式余度无人飞机自动 驾驶仪，其特征在于，所述的无线通讯模块，包括串口转CAN总线接口模块、 数传电台，其中串口转CAN总线接口模块通过串口与数传电台双向相连，串口 转CAN总线接口模块还通过CAN 口与主控制模块双向相连，数传电台还通过 无线链路与地面站系统相连。
4、 根据权利要求1所述的基于CAN总线的主从负担式余度无人飞机自动 驾驶仪，其特征在于，所述的舵机控制器模块，包括单片机系统、PWM信号调 理电路、8路舵机，所述的单片机系统，包括单片机、555振荡器、CAN总线接 口，所述的PWM信号调理电路，包括光耦隔离器、反相器，其中单片机与CAN 总线接口双向相连，555振荡器的输出连于单片机的输入，单片机输出的8路 PWM输出信号连于光耦隔离器的输入，光耦隔离器的输出连于反相器的输入，反相器的输出分别与8路舵机相连。
5、 根据权利要求1所述的基于CAN总线的主从负担式余度无人飞机自动 驾驶仪，其特征在于，所述的传感器模块，包括大气机、惯性测量单元、GPS 接收机，其中大气机，包括高度计和空速计，高度计和空速计分别经A/D转换 器后通过SPI总线发送给第一飞行控制计算机；惯性测量单元包括三轴角速度陀 螺和两轴直线加速度计，惯性测量单元与CAN总线双向相连，GPS接收机通过 串口与第一飞行控制计算机相连。
6、 一种使用如权利要求1所述的基于CAN总线的主从负担式余度无人飞 机自动驾驶仪的控制方法，其特征在于，所述主控制模块采用双CPU架构的主 从负担式控制方法，利用第一飞行控制计算机实时采集处理传感器模块数据，进 行控制律解算，并发送控制信号给舵机控制器模块，驱动各舵机工作，保证无人 飞机稳定飞行；利用第二飞行控制计算机执行航路规划和导航制导任务，得到最 优的任务的飞行航线，然后制定相应的导引律，通过双口RAM输出给第一飞行 控制计算机，并通过无线通讯模块接收地面站控制系统控制指令和下传遥测信 息；采用传感器模块为主控制模块提供无人飞机的飞行参数利用大气机釆集无 人飞机高度模拟信号和对空气的速度模拟信号，将采集到的上述两个模拟信号经 A/D转换成数字信号，再将该数字信号通过SPI总线发送给第一飞行控制计算机；利用惯性测量单元采集三轴角速度陀螺信息和两轴直线加速度计信息，将上 述两个信息经单片机微处理器进行融合和优化，得到精确稳定的飞行姿态角，再 将飞行姿态角通过CAN总线实时传输给第一飞行控制计算机；利用GPS接收机通过RS232串口与第一飞行控制计算机进行通讯，采用 UBX通讯协议，发送的通讯数据包括无人飞机的经度、纬度、速度和航向；利用舵机控制器模块通过CAN总线获得第一飞行控制计算机的控制指令， 再利用舵机控制器模块的核心单片机，对555振荡器产生的脉冲信号进行计数来 产生PWM信号，该PWM信号通过光耦隔离传送到反相器进行反相，产生标准 的PWM信号，将该标准PWM信号分别传输给各路舵机，包括油门舵机和各路 舵面舵机，实现对无人飞机飞行姿态和高度的控制；利用无线通讯模块实现地面站系统与无人飞机机载系统之间的信息交换，包括两组通讯链路， 一组是小型无人飞机的遥控信号链路，飞机操纵员手持遥控器 发射无线电波，机载无线接收器根据遥控信号来控制无人飞机飞行，另一组是无 线遥测链路，完成无人飞机飞行状态和航迹信息的下传任务。
全文摘要
本发明公开了一种基于CAN总线的主从负担式余度无人飞机自动驾驶仪，包括主控制器模块、传感器模块、舵机控制器模块、无线通讯模块、扩展模块，各模块通过CAN总线进行数据通讯。主控制模块采用主从负担式余度工作方式，提高了自动驾驶仪的实时性、可靠性和容错能力；传感器模块包括大气机、GPS接收机和惯性测量单元，得到精确而稳定的无人飞机全姿态信息和导航信息；舵机控制器采用单片机的控制方法，利用555定时器提供振荡脉冲产生多路PWM信号，通过单独供电、光耦隔离减小了舵机输出信号间的相互干扰，实现了对多路舵机的高精度控制，采用CAN总线的模块化提高了灵活性，达到了小型化和低成本的设计目标。
文档编号G05D1/00GK101515178SQ20091002931
公开日2009年8月26日 申请日期2009年4月8日 优先权日2009年4月8日
发明者姜印清, 李春涛, 毅 米 申请人:南京航空航天大学