一種四旋翼飛行器慣性測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種四旋翼飛行器慣性測量系統(tǒng)，包括慣性測量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和電源模塊；慣性測量模塊包括三軸角速度陀螺儀、三軸加速度傳感器、磁阻傳感器和模數(shù)轉換器，分別實時測量飛行器角速率、加速度和水平地磁場分量，測量信號經(jīng)模數(shù)轉換器轉換成數(shù)字信號后傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊進行處理；本實用新型是一種測量精準有效的四旋翼飛行器慣性測量系統(tǒng)。
【專利說明】
一種四旋翼飛行器慣性測量系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及慣性測量【技術領域】，具體說是一種四旋翼飛行器慣性測量系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]無人機技術是目前世界上發(fā)展比較迅速的一項技術，固定翼無人機已經(jīng)在過去二十多年中的局部戰(zhàn)爭中展現(xiàn)了它特殊的能力。四旋翼飛行器是一種具有四個螺旋槳的飛行器并且四個螺旋槳呈十字形交叉結構，相對的四旋翼具有相同的旋轉方向，分兩組兩組的旋轉方向不同。與傳統(tǒng)的直升機不同，四旋翼直升機只能通過改變螺旋槳的速度來實現(xiàn)各種動作。飛行器主要由四部分組成:驅動部件、機翼、中心部件和機用設備。驅動部件為新西達無刷直流電動機。機翼(旋翼)由四片三葉槳組成，它通過中心部件與無刷直流電動機相連。四旋翼電動飛行器的飛行控制系統(tǒng)，主要包括了微處理器飛行控制系統(tǒng)、旋翼伺服控制子系統(tǒng)、傳感器檢測子系統(tǒng)、無線通信子系統(tǒng)及上位機顯示子系統(tǒng)。首先，對傳感器檢測回的數(shù)據(jù)進行整合處理，根據(jù)飛行器的自身特點，建立飛行模型。同時，將基于神經(jīng)網(wǎng)絡與自適應控制理論研究飛行器的姿態(tài)控制，表達出飛行器的空間狀態(tài)矢量，完成對飛行器的姿態(tài)控制。最后，將飛行器與上位機進行無線通信，將飛行器的狀態(tài)參數(shù)與數(shù)據(jù)實時地反饋回來，在上位機上監(jiān)測飛行器的運動狀態(tài)，同時，也可以通過上位機調(diào)整設置飛行器的運動參數(shù)，對飛行器進行控制。然而，相對無人直升機而言，四旋翼電動飛行器的發(fā)展要慢的多，主要是因為早期技術水平對飛行器慣性測量技術的不足，尤其是對信號的采集和和才寄回來的數(shù)據(jù)處理不能夠準確的對飛行器的慣性進行測量，某些測量方式只能在特定的條件下才適用，無法實現(xiàn)自主飛行控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型的目的是針對上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種四旋翼飛行器慣性測量系統(tǒng)。
[0004]本實用新型的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0005]一種四旋翼飛行器慣性測量系統(tǒng)，包括安裝在飛行器上的慣性測量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和電源模塊。
[0006]所述慣性測量模塊包括三軸角速度陀螺儀、三軸加速度傳感器、磁阻傳感器和模數(shù)轉換器，分別實時測量飛行器角速率、加速度和水平地磁場分量，測量信號經(jīng)模數(shù)轉換器轉換成數(shù)字信號后傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊進行處理。所述慣性測量模塊包括三軸角速度陀螺儀、三軸加速度傳感器、磁阻傳感器和模數(shù)轉換器，三軸角速度陀螺儀、三軸加速度傳感器、磁阻傳感器分別通過所述模數(shù)轉換器與所述數(shù)據(jù)處理模塊連接；所述電源模塊提供慣性測量模塊和數(shù)據(jù)處理模塊所需穩(wěn)壓電源。
[0007]進一步地，所述三軸加速度傳感器及三軸角速度陀螺儀與第一模數(shù)轉換器連接，所述磁阻傳感器與第二模數(shù)轉換器連接。
[0008]所述數(shù)據(jù)處理模塊包括微處理芯片，用于將接收到的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)融合后解算出飛行器的飛行姿態(tài)，并根據(jù)飛行指令，通過舵機控制器來改變無人機的飛行姿態(tài)和航向。其中系統(tǒng)軟件通過卡爾曼濾波來估計動態(tài)飛行器的狀態(tài)，并根據(jù)其狀態(tài)進行參量融合。
[0009]所述模數(shù)轉換器為ADS8364芯片和AD7705芯片，所述三軸角速度陀螺儀及三軸加速度傳感器的測量信號由ADS8364芯片轉換，所述磁阻傳感器的測量信號由AD7705芯片轉換。
[0010]所述電源模塊提供慣性測量模塊和數(shù)據(jù)處理模塊所需穩(wěn)壓電源。一般采用線性穩(wěn)壓器件(如78XX系列三端穩(wěn)壓器件)作為電壓調(diào)節(jié)和穩(wěn)壓器件來將較高的直流電壓轉變?yōu)镸CU所需的工作電壓。這種線性穩(wěn)壓電源的線性調(diào)整工作方式在工作中會造成較大的“熱損失”(其值為V壓降XI負荷)，其工作效率僅為30%?50%。這樣，用線性電源不僅工作效率低，而且“熱損失”產(chǎn)生的熱量的聚集也加劇了 MCU的惡劣工況，從而使嵌入式控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性能變得更差。為了解決線性穩(wěn)壓器的這一弊端，電源模塊中采用了開關式的穩(wěn)壓電源LM2576-5芯片作為穩(wěn)壓電路。LM2576系列是美國國家半導體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器(52kHz)和基準穩(wěn)壓器(1.23V)，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩(wěn)壓電路。為了減小開關電源輸出紋波對電路造成的影響，應在VCC輸出端于地線之間并聯(lián)一個較大的濾波電容。
[0011]所述三軸角速度陀螺儀采用三個型號為LISY300AL的單軸陀螺儀兩兩垂直放置在飛行器的中央位置，所述三軸加速度傳感器采用型號為MMA7260QT的加速度傳感器，所述磁阻傳感器采用型號為HMC1022的磁阻傳感器。陀螺和加速度計的輸出為模擬量，經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后，通過6通道高精度16位AD采樣芯片ADS8364傳輸?shù)紸RM中。磁阻傳感器的輸出是很小的差分信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后進入高精度16位AD采集芯片AD7705，將電壓信號轉換成數(shù)字信號，通過SPI總路線輸入ARM，數(shù)字信號處理器將接收到的三種共8路傳感器信號進行數(shù)據(jù)融合后解算出無人飛行器的飛行姿態(tài)，并根據(jù)飛行指令，通過舵機控制器來改變無人機的飛行姿態(tài)和航向。
[0012]對于單軸陀螺儀，小型無人機的體積和重量很小，因此，受風力的影響姿態(tài)變化范圍大，姿態(tài)變化速度相對較快，采用三個ST公司的單軸陀螺儀LISY300AL兩兩垂直放置，可同時測量機體的三軸轉動角速率，該器件的測量角速率范圍分別為±300° /s，輸出電壓范圍在0.66V-2.46V之間，性能和精度都比較高，與同類的角速度傳感器相比更小巧、更精密、性價比更好。這種器件采用了最新的微機械集成技術及表面顯微機械加工工藝。
[0013]三軸加速度傳感器采用三個Freescale公司的MMA7260QT加速度傳感器，它的安裝位置應與陀螺儀的測量軸平行，可同時測量機體的三軸加速度，該期間的測量范圍是±6g，輸出電壓范圍在0.54V-2.76V之間，能夠承受高達±5000g的沖擊。
[0014]磁阻傳感器采用了 HONEYWELL的磁阻傳感器HMC1022，用于測定各個方向的磁場強度。HMC1022是一種小型三軸表面安裝的傳感器序列系統(tǒng)，具有寬電壓供電(2-20V)，量程范圍大(± 1gauss)的特點，磁敏方向分別沿著其芯片的長、寬(X，Y)兩個方向嚴格呈正交分布，輸出對應于X、Y軸磁場成比例的模擬電壓，利用這些模擬電壓可以測試載體的方向和姿態(tài)。
[0015]整個系統(tǒng)采用了 2中AD采樣芯片，ADS8364和AD7705都是Σ-Λ型的AD轉換器，AD轉換器采用TI公司的ADS8364，該器件封裝小、功耗低，采用單電源供電(2.7V-5V)，內(nèi)部集成多路開關，可同時采集六路模擬差分電壓信號，采樣速率可達到250kHZ，能滿足慣性測量系統(tǒng)6路慣性信號的輸出數(shù)據(jù)采集要求，采用16位或8位并行輸出接口，可以方便地與ARM進行通訊。AD公司的AD7705有2個全差分模擬輸入通道，16位無丟失代碼，
0.003%非線性?？删幊淘鲆娣糯笃?，增益范圍1-128，可與磁阻尼器直接相連，無須外接放大器。內(nèi)置可編程數(shù)字濾波器。內(nèi)置可編程自校準電路，通過對零點和滿度校準，可有效地去除零點漂移和增益誤差。SPI接口可方便的與ARM芯片連接。
[0016]磁阻傳感器如果受到突然的高強度磁場的干擾，將導致傳感器輸出信號的電壓產(chǎn)生變化，從而影響姿態(tài)測量的精度。為了消除這種影響，將傳感器恢復到正常的工作狀態(tài)，在磁阻傳感器的信號測量電路中采用了一種特殊的開關電流脈沖技術(S/R電路)，每隔一定的時間將產(chǎn)生一個固定占空比的方波脈沖，用于消除地磁以外的強磁場以及溫度等原因引起的漂移，從而保證磁阻傳感器達到較高的靈敏度。
[0017]本實用新型具有以下突出的有益效果:
[0018]本實用新型采用組合探姿的方式，通過LISY300AL單軸陀螺儀測量機體三軸轉動角速率，通過MMA7260QT加速度傳感器測量機體三軸加速度，通過磁阻傳感器模擬電壓測試機體方向和姿態(tài)，提高了四旋翼飛行器采集的數(shù)據(jù)的精度，并通過AD采樣芯片和卡爾曼濾波的方法處理這些數(shù)據(jù)，更加準確的測量飛行器的慣性，達到精準控制的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型四旋翼飛行器慣性測量系統(tǒng)結構框圖；
[0020]圖2為本實用新型中穩(wěn)壓電路電路圖；
[0021]圖3為本實用新型中HM1022磁阻傳感器引腳圖。

【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明:
[0023]參見圖1，本實用新型中，一種四旋翼飛行器慣性測量系統(tǒng)，包括安裝在飛行器上的慣性測量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和電源模塊。
[0024]慣性測量模塊包括三軸角速度陀螺儀2、三軸加速度傳感器1、磁阻傳感器3和模數(shù)轉換器，分別實時測量飛行器角速率、加速度和水平地磁場分量，測量信號經(jīng)模數(shù)轉換器轉換成數(shù)字信號后傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊進行處理；模數(shù)轉換器為ADS8364芯片4和AD7705芯片5，三軸角速度陀螺儀2及三軸加速度傳感器I的測量信號由ADS8364芯片4轉換，磁阻傳感器3的測量信號由AD7705芯片5轉換。
[0025]數(shù)據(jù)處理模塊包括微處理芯片6，用于將接收到的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)融合后解算出飛行器的飛行姿態(tài)，并根據(jù)飛行指令，通過舵機控制器來改變無人機的飛行姿態(tài)和航向。微處理芯片6采用ARM Cortex-M3處理器。
[0026]電源模塊米用開關式的穩(wěn)壓電源LM2576-5芯片作為穩(wěn)壓電路，電路圖參見圖2。LM2576系列是美國國家半導體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器(52kHz)和基準穩(wěn)壓器(1.23V)，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩(wěn)壓電路。在VCC輸出端于地線之間并聯(lián)一個較大的濾波電容是為了減小開關電源輸出紋波對電路造成的影響。
[0027]三軸角速度陀螺儀采用三個型號為LISY300AL的單軸陀螺儀2兩兩垂直放置在飛行器的中央位置，三軸加速度傳感器I采用三個型號為MMA7260QT的加速度傳感器，與單軸陀螺儀的測量軸平行位置安裝在飛行器上；磁阻傳感器3采用型號為HMC1022的磁阻傳感器，HM1022內(nèi)部集成了 2個惠斯通電橋A、B，這2個電橋相互垂直，分別對應直角坐標系中的X軸和Y軸輸出(見圖3)，HMC1022是一種小型三軸表面安裝的傳感器序列系統(tǒng)，具有寬電壓供電(2-20V),量程范圍大(土 1gauss)的特點，磁敏方向分別沿著其芯片的長、寬(X，Y)兩個方向嚴格呈正交分布，輸出對應于X、Y軸磁場成比例的模擬電壓，利用這些模擬電壓可以測試載體的方向和姿態(tài)。
[0028]從單軸陀螺儀2，加速度傳感器I和磁阻傳感器3收集回來的數(shù)據(jù)需要進行處理之后才能得到更加接近實際的加速度值和較為理想的飛機飛行姿態(tài)。本實用新型通過卡爾曼濾波器的方式對采集的信號和數(shù)據(jù)進行處理，利用卡爾曼濾波器在某一軸上最數(shù)據(jù)進行融合，并且校正磁阻尼傳感器的干擾，得到去除噪聲之后更加貼近實際的信號，從而對飛行器的姿態(tài)進行控制。卡爾曼濾波器是一個最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法。對于解決很大部分的問題，它是最優(yōu)且效率最高甚至是最有用的。卡爾曼濾波是在線性最小方差估計的基礎上，在數(shù)學結構上提出的比較簡單的而且是最優(yōu)線性遞推濾波方法，具有計算量小、存儲量低，實時性高的優(yōu)點。利用卡爾曼濾波算法處理信號，卡爾曼濾波器從一系列的不完全及包含噪聲的測量中，估計動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)，大大提高飛行器各種收集所得信號的精度。
[0029]以上是本實用新型的較佳實施例，凡依本實用新型技術方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本實用新型技術方案的范圍時，均屬于本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種四旋翼飛行器慣性測量系統(tǒng)，其特征在于，該慣性測量系統(tǒng)包括安裝在飛行器上的慣性測量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和電源模塊；所述慣性測量模塊包括三軸角速度陀螺儀、三軸加速度傳感器、磁阻傳感器和模數(shù)轉換器，三軸角速度陀螺儀、三軸加速度傳感器、磁阻傳感器分別通過所述模數(shù)轉換器與所述數(shù)據(jù)處理模塊連接；所述電源模塊提供慣性測量模塊和數(shù)據(jù)處理模塊所需穩(wěn)壓電源。
2.根據(jù)權利要求1所述的四旋翼飛行器慣性測量系統(tǒng)，其特征在于，模數(shù)轉換器包括第一、第二，所述三軸加速度傳感器及三軸角速度陀螺儀與第一模數(shù)轉換器連接，所述磁阻傳感器與第二模數(shù)轉換器連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的四旋翼飛行器慣性測量系統(tǒng)，其特征在于，第一模數(shù)轉換器采用ADS8364芯片，第二模數(shù)轉換器采用AD7705芯片。
4.根據(jù)權利要求1所述的四旋翼飛行器慣性測量系統(tǒng)，其特征在于，所述電源模塊采用開關式的穩(wěn)壓電源LM2576-5芯片作為穩(wěn)壓電路。
5.根據(jù)權利要求1或2或3或4所述的四旋翼飛行器慣性測量系統(tǒng)，其特征在于，所述三軸角速度陀螺儀包括三個型號為LISY300AL的單軸陀螺儀，兩兩垂直放置在飛行器的中央位置，所述三軸加速度傳感器采用三個型號為MMA7260QT的加速度傳感器，與單軸陀螺儀的測量軸平行位置安裝在飛行器上；所述磁阻傳感器采用型號為HMC1022的磁阻傳感器。
【文檔編號】G01C21/18GK204128560SQ201420524516
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權日:2014年9月12日
【發(fā)明者】劉云平, 沈琪鋒, 張永宏, 李先影, 王立鵬 申請人:南京信息工程大學