本發(fā)明涉及一種微型無人機(jī)控制系統(tǒng)，尤其涉及一種高集成自主飛行微型無人機(jī)飛控系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

航空電子是機(jī)載″神經(jīng)系統(tǒng)″，是實(shí)現(xiàn)微型無人機(jī)不可忽視的先進(jìn)技術(shù)?，F(xiàn)有無人飛行器常見的平臺(tái)結(jié)構(gòu)是各類傳感器執(zhí)行器與微處理器連接，各種飛行器的姿態(tài)，電量飛行高度、速度等數(shù)據(jù)分別通過總線匯總到微處理器進(jìn)行計(jì)算，飛控程序算出執(zhí)行器如電機(jī)舵機(jī)需要的控制信號(hào)后通過總線傳遞到對應(yīng)的執(zhí)行器。對于普通尺寸的無人機(jī)，該方案因?yàn)轱w控的可編程特性具有較高的靈活性，然而對于微型無人機(jī)，傳統(tǒng)的板級設(shè)計(jì)具有體積和重量的劣勢，為了對應(yīng)任務(wù)具有高效性，勢必從芯片的層面就進(jìn)行高度的集成和系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)體積和性能的高度統(tǒng)一。

美國DARPA局在開始計(jì)劃微型無人機(jī)研究時(shí)，已經(jīng)初步考慮到利用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)對微型無人機(jī)的發(fā)展。由于微型無人機(jī)的質(zhì)量和體積受限，留給飛行器機(jī)電系統(tǒng)的總重量只有幾十克，顯然常規(guī)無人機(jī)或者微型無人機(jī)所使用的機(jī)電設(shè)備在微型無人機(jī)上已經(jīng)不適用了。機(jī)電器件的微型化發(fā)展趨勢為微型無人機(jī)的發(fā)展提供了可能。集成傳感器、運(yùn)算處理器和執(zhí)行器于單芯片的片上系統(tǒng)能夠大大提高微型無人機(jī)的智能化、系統(tǒng)集成度和穩(wěn)定性，是未來微型無人機(jī)的必然發(fā)展趨勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種高集成度、高穩(wěn)定性、低功耗、輕載荷的微型無人機(jī)飛控系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣構(gòu)成的：

一種高集成自主飛行微型無人機(jī)飛控系統(tǒng)，包括主控芯片、MEMS三軸加速度傳感器、MEMS衛(wèi)星定位接收傳感器、CMOS圖像傳感器和無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片；所述的MEMS三軸加速度傳感器、MEMS衛(wèi)星定位接收傳感器和CMOS圖像傳感器的輸出端分別連接到主控芯片對應(yīng)的輸入接口，主控芯片的輸出連接無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。

所述主控芯片用于飛行控制和路徑導(dǎo)航的控制算法處理；所述MEMS三軸 加速度傳感器用于檢測現(xiàn)行飛行器飛行狀態(tài)；所述MEMS衛(wèi)星定位接收傳感器用于飛行器定位和導(dǎo)航；所述CMOS圖像傳感器用于偵察和檢測。

所述主控芯片向所述無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)出控制指令，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的輸出端連接到無人機(jī)的舵機(jī)，通過解算控制指令，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的飛行器舵機(jī)帶有四個(gè)軸向的無刷電機(jī)。

主控芯片的輸出還連接地面機(jī)臺(tái)的圖像顯示裝置，主控芯片將所述CMOS圖像傳感器捕捉到的數(shù)據(jù)畫面通過圖像解算和圖像處理，得到目標(biāo)物體的位置和其他信息，經(jīng)通信系統(tǒng)將圖像傳輸?shù)降孛鏅C(jī)臺(tái)的圖像顯示裝置，實(shí)現(xiàn)飛行器的監(jiān)控功能。

所述主控芯片位于飛行器機(jī)身平臺(tái)中央；所述CMOS圖像傳感器位于飛行器機(jī)身平臺(tái)前側(cè)，用于探測和識(shí)別物體，傳輸無人機(jī)偵測到的地形、人員等信息；所述無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片位于飛行器機(jī)身平臺(tái)偏側(cè)臂處，用于精確的控制飛行器舵機(jī)四個(gè)軸向的無刷電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。

采用二次集成技術(shù)將三軸加速度傳感器，衛(wèi)星定位接收傳感器，圖像傳感器，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片以及主控芯片的裸片集成到同一封裝，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力。

所述主控芯片采用TI芯片TMS320DM6467，該芯片集成了ARM與DSP內(nèi)核，為TI新一代高清視頻處理芯片。

所述MEMS三軸加速度傳感器采用freescale公司的MMA7455芯片；所述MEMS衛(wèi)星定位傳感器采用STMicroelectronics公司的Teseo III芯片，在單一芯片上整合射頻單元、數(shù)字控制器和閃存，可同時(shí)追蹤多個(gè)不同的衛(wèi)星定位系統(tǒng)；所述CMOS圖像傳感器采用OmniVision公司的OV764芯片；所述無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用SANYO公司的LB11820M芯片。

本發(fā)明與現(xiàn)有的微型無人機(jī)相比，具有如下顯著的技術(shù)優(yōu)勢與特點(diǎn)：

(1)集成度高。本發(fā)明所涉及的無人飛行系統(tǒng)采用片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)集成度高，比現(xiàn)有微型無人機(jī)更輕便。

(2)穩(wěn)定性高。本發(fā)明所涉及的無人飛行系統(tǒng)集成度高，串?dāng)_小，穩(wěn)定性高。

(3)功耗低。本發(fā)明所涉及的無人飛行系統(tǒng)針對功耗進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功耗大幅縮減。

(4)載荷輕，噪聲小。本發(fā)明所涉及的無人飛行系統(tǒng)噪聲小，可用于隱蔽條件下的目標(biāo)檢測、車牌識(shí)別、行為識(shí)別等。

附圖說明

圖1是所述高集成自主飛行微型無人機(jī)飛控系統(tǒng)框圖；

圖2是所述COMS圖像傳感器結(jié)構(gòu)圖；

圖3是所述COMS圖像傳感器象敏單元；

圖4是所述無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片原理圖；

圖5是所述主控模塊框圖。

圖中：1、主控芯片，2、MEMS三軸加速度傳感器，3、MEMS衛(wèi)星定位接收傳感器，4、CMOS圖像傳感器，5、無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，6、圖像顯示裝置，7、舵機(jī)。

具體實(shí)施方式

圖1所示，一種高集成自主飛行微型無人機(jī)飛控系統(tǒng)，包括主控芯片1、MEMS三軸加速度傳感器2、MEMS衛(wèi)星定位接收傳感器3、CMOS圖像傳感器4和無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片5。所述的MEMS三軸加速度傳感器2、MEMS衛(wèi)星定位接收傳感器3和CMOS圖像傳感器4的輸出端分別連接到主控芯片1對應(yīng)的輸入接口，主控芯片1的輸出連接無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片5及地面機(jī)臺(tái)的圖像顯示裝置。所述主控芯片1用于飛行控制和路徑導(dǎo)航的控制算法處理。所述MEMS三軸加速度傳感器2將信號(hào)傳遞到主控芯片1，為飛控系統(tǒng)提供姿態(tài)信息。所述MEMS衛(wèi)星定位傳感器3將信號(hào)傳遞到主控芯片1，為飛控系統(tǒng)提供位置信息和姿態(tài)信息，經(jīng)主控芯片1解算后，得到飛行器現(xiàn)在的飛行狀態(tài)。所述主控芯片1通過分析現(xiàn)在的飛行狀態(tài)，經(jīng)過飛控算法向所述無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片5發(fā)出控制指令，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片5的輸出端連接到無人機(jī)的舵機(jī)7，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片5通過對輸入的速度控制信號(hào)和從反電動(dòng)勢獲取的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)進(jìn)行PID控制，得到多路PWM信號(hào)的輸出，通過功率MOS組成的3相的反相器實(shí)現(xiàn)對相電流的控制，即通過解算控制指令，控制舵機(jī)7的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的正常飛行。所述CMOS圖像傳感器4將信號(hào)傳遞到主控芯片1，為飛控系統(tǒng)提供地面和物體的數(shù)據(jù)信息；所述主控芯片1將所述CMOS圖像傳感器4捕捉到的數(shù)據(jù)畫面通過圖像解算和圖像處理，得到目標(biāo)物體的位置和其他信息，經(jīng)通信系統(tǒng)將圖像傳輸?shù)降孛鏅C(jī)臺(tái)的圖像顯示裝置6，實(shí)現(xiàn)飛行器的監(jiān)控功能。

所述主控芯片1位于飛行器機(jī)身平臺(tái)中央。所述CMOS圖像傳感器4位于飛行器機(jī)身平臺(tái)前側(cè)，用于探測和識(shí)別物體，傳輸無人機(jī)偵測到的地形、人員等信息。所述無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片5位于飛行器機(jī)身平臺(tái)偏側(cè)臂處，用于精確的 控制飛行器舵機(jī)7四個(gè)軸向的無刷電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，給飛行器穩(wěn)定飛行提供保障。

所述的高集成自主飛行微型無人機(jī)飛控系統(tǒng)，傳感器芯片和主控芯片均采用裸片封裝：采用二次集成技術(shù)將三軸加速度傳感器2，衛(wèi)星定位接收傳感器3，圖像傳感器4，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片5以及主控芯片1的裸片集成到同一封裝，進(jìn)行總體封裝，以提高其系統(tǒng)集成度，減小載荷重量，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力。系統(tǒng)所采用的單功能芯片，既可以采用針對此系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)開發(fā)，通過流片工藝生產(chǎn)的芯片，又可以采用市場上現(xiàn)有芯片的裸片封裝。

所述高集成自主飛行微型無人機(jī)飛控系統(tǒng)中涉及傳感器芯片和主控芯片通過流片工藝生產(chǎn)。

所述MEMS三軸加速度傳感器2采用體硅ICP深刻蝕技術(shù)及硅玻璃的靜電鍵合技術(shù)獲得；ICP深刻蝕技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大厚度、高寬深比刻蝕靜電鍵合保證襯底與芯片之間實(shí)現(xiàn)粘接，可靠性較高。在結(jié)構(gòu)上，所述MEMS三軸加速度傳感器2采用梳齒電容式三軸加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，電容變化是變極距引起的，動(dòng)極板的運(yùn)動(dòng)會(huì)擠壓極板間氣體。該結(jié)構(gòu)能夠較大地減少三軸加速度計(jì)的體積，采用差分梳齒電容結(jié)構(gòu)，有利于增加檢測微小電容量，提高檢測精度，同時(shí)也提高了加速度計(jì)的綜合性能。

所述CMOS圖像傳感器，采用微型光流傳感芯片，通過FPGA實(shí)現(xiàn)海量光流數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算，通過攝像頭采集到的信息來確定飛行器的位置變化信息，給飛控提供室內(nèi)坐標(biāo)的定位。COMS圖像傳感器的原理圖如圖2所示，它的主要組成部分是象敏單元陣列和CMOS場效應(yīng)管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。象敏單元組按照X方向和縱Y方向排列成陣列，陣列中的每一個(gè)感光單元都會(huì)對應(yīng)一個(gè)X和Y方向的地址，而且可以分別由橫縱兩個(gè)方向的地址譯碼器進(jìn)行定位和選擇；每一個(gè)感光二極管旁邊都有一個(gè)列放大器，這個(gè)列放大器時(shí)將感光二極管收集到的光信息輸出至輸出放大器，再經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，經(jīng)預(yù)處理器電路處理后，再通過接口電路輸出。

所述CMOS圖像傳感器中象敏單元陣列實(shí)際上是光電二極管陣列，如圖3所示，通過使用聚酞亞胺掩膜技術(shù)在傳感器的每個(gè)感光單元上覆蓋一層微小的R，G或是B彩色光學(xué)濾鏡，只允許某波段的光線透過，在感光單元上產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度的電荷量。電荷量代表該點(diǎn)顏色的色度和強(qiáng)度。

所述無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，采用單芯片解決方案，通過對輸入的速度控制信 號(hào)和從反電動(dòng)勢獲取的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)進(jìn)行PID控制，得到多路PWM信號(hào)的輸出，通過功率MOS組成的3相的反相器實(shí)現(xiàn)對相電流的控制。如圖4所示，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片用編程的方法來模擬無刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)是使用靈活，通過修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無刷電機(jī)，增加系統(tǒng)功能方便，具備調(diào)速，正反轉(zhuǎn)，過流保護(hù)，短路保護(hù)，欠壓保護(hù)等功能，工作穩(wěn)定，防干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

所述主控制模塊采用片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，配備完善的飛行控制接口，只需要簡單改動(dòng)外圍電路便可以滿足一系列小型無人機(jī)的飛行控制和飛行管理功能要求，從而實(shí)現(xiàn)一次開發(fā)，多型號(hào)使用，降低系統(tǒng)開發(fā)成本的目的。

所述主控芯片，采用基于ARM處理器內(nèi)核的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)無人機(jī)飛行控制的設(shè)計(jì)需求，以及小型化、低功耗的要求設(shè)計(jì)，針對微型飛控算法進(jìn)行了優(yōu)化，配備了飛控系統(tǒng)的通用接口?？梢詫?shí)現(xiàn)對多路模擬信號(hào)的高精度采集，包括陀螺信號(hào)、航向信號(hào)、舵偏角信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電源電壓信號(hào)等。通過輸出開關(guān)量信號(hào)、模擬信號(hào)和PWM脈沖信號(hào)等適應(yīng)不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制要求。如圖5所示，所述主控芯片劃分為4個(gè)模塊：時(shí)間管理模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、通信模塊、控制律解算模塊。通過時(shí)間管理模塊在毫秒級時(shí)間內(nèi)對無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；數(shù)據(jù)采集模塊采集無人機(jī)的飛行狀態(tài)、姿態(tài)參數(shù)以及飛行參數(shù)、飛行狀態(tài)及飛行參數(shù)進(jìn)行遙測編碼并通過串行接口傳送至機(jī)載數(shù)據(jù)終端，通過無線數(shù)據(jù)信道發(fā)送到地面控制站進(jìn)行飛行監(jiān)控；姿態(tài)參數(shù)通過軟件內(nèi)部接口送控制律解算模塊進(jìn)行解算，并將結(jié)果通過DA通道送機(jī)載伺服系統(tǒng)，控制舵機(jī)運(yùn)行，達(dá)到調(diào)整、飛機(jī)飛行姿態(tài)的目的；通信模塊完成飛控計(jì)算機(jī)與其他機(jī)載外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換功能。

實(shí)施例：

所述主控芯片采用TI芯片TMS320DM6467，該芯片集成了ARM與DSP內(nèi)核，為TI新一代高清視頻處理芯片。

所述MEMS三軸加速度傳感器采用freescale公司的MMA7455芯片，該芯片是一款低功耗、緊湊型電容式微機(jī)械三軸加速度計(jì)，具有信號(hào)調(diào)理、低通濾波器、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

所述MEMS衛(wèi)星定位傳感器采用STMicroelectronics公司的Teseo III芯片，該芯片在單一芯片上整合射頻單元(RF)、數(shù)字控制器和閃存，可同時(shí)追蹤多個(gè)不同的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

所述無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用SANYO公司的LB11820M芯片，該芯片是三相直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，具備開環(huán)三相電機(jī)控制所需的全部有效功能，并且具有比較完善的保護(hù)電路。

所述CMOS圖像傳感器采用OmniVision公司的OV764芯片，該芯片將CMOS光感應(yīng)核與外圍支持電路集成在一起，能夠消除普通的光電干擾，具有可編程控制與視頻模/數(shù)混合輸出等功能。

所述的高集成自主飛行微型無人機(jī)飛控系統(tǒng)，采用二次集成技術(shù)將所述三軸加速度傳感器MMA7455，衛(wèi)星定位接收傳感器Teseo III，CMOS圖像傳感器OV764，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LB11820M以及主控芯片TMS320DM6467的裸片集成到同一封裝，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力。