基于Cortex-M3無人機智能控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了基于Cortex-M3無人機智能控制系統(tǒng)，提出了一種基于雙STM32芯片的智能控制系統(tǒng)設計方法與具體實現(xiàn)方案。所述無人機智能控制系統(tǒng)以2個STM32F107芯片作為主從控制器，通過高速SPI接口進行數(shù)據(jù)通信，保證控制階段的實時性。所述主控制器包括地磁和氣壓傳感器、IMU模塊、GPS模塊、遙控接收機和XBEE模塊，主要用于實現(xiàn)與地面站通信、數(shù)字信號采集、導航數(shù)據(jù)融合和推算以及速度和位置控制等功能；所述從控制器主要包括陀螺儀和加速度傳感器、電機驅(qū)動及SD卡等，主要用于完成模擬信號采集、姿態(tài)控制、電機控制等功能。本實用新型具有可靠，運算處理能力強，實時性好，穩(wěn)定性高特點，實現(xiàn)了自主飛行，為實現(xiàn)該類無人機自主飛行研究提供了一種新的思路。
【專利說明】基于Cortex-M3無人機智能控制系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及無人機控制技術,具體涉及基于Cortex-M3無人機智能控制系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]微小型多旋翼無人機(MMR)是指具有多于兩個旋翼的飛行器。隨著嵌入式處理器、傳感器、導航、通信、動力與能源供給以及控制理論等技術的發(fā)展，具有廣闊軍事和民用前景的微小型多旋翼無人機的研究與開發(fā)已經(jīng)取得了很大的進展，并逐步應用于軍事偵察、高空拍攝、交通監(jiān)控以及自然災害勘察等領域，因此搭建飛行控制系統(tǒng)平臺對深入研究微小型多旋翼無人機自主飛行具有重要的現(xiàn)實意義。
[0003]目前市場上飛行控制系統(tǒng)采用ARM7、DSP等高速處理器作為控制芯片，該類單芯片飛控系統(tǒng)要求在一個控制周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集、處理、控制運算以及指令輸出，同時還需要將數(shù)據(jù)輸出到監(jiān)控系統(tǒng)，過重的負荷影響了系統(tǒng)的可靠性和實時性。針對上述問題，設計了一種雙芯片飛行控制系統(tǒng)，采用2個STM32處理器同時分工協(xié)作的機制，完成自主飛行控制的任務。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型的目的就在于為了解決上述問題而提供基于CorteX-M3無人機智能控制系統(tǒng)。
[0005]本實用新型通過以下技術方案來實現(xiàn)上述目的:本實用新型提供了基于Cortex-M3無人機智能控制系統(tǒng)，本實用新型包括雙芯片飛控部分和地面控制站部分。
[0006]所述雙芯片飛控部分包括主控模塊和從控模塊兩部分，所述主、從控制模塊之間通過高速SPI接口進行雙機通信。
[0007]所述主控模塊包括主控制器、氣壓傳感器、地磁傳感器、IMU模塊、GPS模塊、遙控接收機和XBEE模塊。
[0008]所述氣壓傳感器、所述地磁傳感器以及所述GPS模塊采集的均是數(shù)字信號量，相對較簡單。
[0009]所述氣壓傳感器用于采集大氣的絕對壓強；所述地磁傳感器用于感應地磁場的變化，指示飛行器的姿態(tài)和運動角度等信息；所述GPS模塊用于采集無人機飛行時所處的具體位置。
[0010]所述IMU模塊用于驗證控制板上各種傳感器的性能并估算姿態(tài)角的準確性。
[0011]所述遙控接收機用于接收遙控器發(fā)射的無線信號，通過串口送給所述主控制器。
[0012]所述XBEE模塊采用2.4GHz與地面控制站進行無線通信
[0013]所述從控模塊包括從控制器、加速度傳感器、陀螺儀傳感器、電機驅(qū)動、電源。
[0014]所述主、從控制器選用意法半導體公司的32位微處理器互聯(lián)型STM32即STM32F107VCT6，最高時鐘頻率72MHz，具有豐富的硬件接口資源以及強大的DMA控制方式。
[0015]所述加速度傳感器、所述陀螺儀傳感器采集的都是模擬量信號。
[0016]所述加速度傳感器選用三軸加速度傳感器ADXL335，用于測量空間加速度。
[0017]所述電機驅(qū)動與從控制器之間進行了信號隔離處理，為無人機提供動力。
[0018]所述電源用于給所述主控制器和所述從控制器供電，設計時進行了電源隔離處理。
[0019]所述地面控制站部分包括XBEE模塊、上位機系統(tǒng)和遙控發(fā)射機三部分。
[0020]所述XBEE模塊通過串口與其他設備連接，用于無線通信；所述上位機系統(tǒng)用于顯示多旋翼無人機飛行姿態(tài)參數(shù)顯示等；所述遙控發(fā)射機用于輸入控制指令，控制飛行的角度，姿態(tài)等。
[0021]本實用新型的進一步改進包括:
[0022]所述氣壓傳感器和所述地磁傳感器通過IIC總線與主控制器進行數(shù)據(jù)通信。
[0023]所述SD卡和所述加速度傳感器通過IIC總線與從控制器進行數(shù)據(jù)通信。
[0024]所述XBEE模塊選用2.4GHz，低功耗，遠距離的Xbee-Pro模塊，采用與Zigbee/IEEE802.15.4兼容的解決方案。
[0025]本實用新型的有益效果在于:
[0026]本實用新型針對目前飛行控制系統(tǒng)都采用單一高速處理器作為控制芯片，在一個控制周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集和處理、控制元素以及指令輸出，同時還要將數(shù)據(jù)輸出到監(jiān)控系統(tǒng)，這樣就導致系統(tǒng)負荷過重，存在實時性差、可靠性低等問題，設計了基于Cortex-M3無人機智能控制系統(tǒng)，它包括雙芯片飛控部分和地面控制站部分。系統(tǒng)以2個STM32F107芯片作為主從控制器，通過高速SPI接口進行數(shù)據(jù)通信，保證控制階段的實時性。主控制器主要用于實現(xiàn)與地面站通信、數(shù)字信號采集、導航數(shù)據(jù)融合和推算以及速度和位置控制等功能，而從控制器主要用于完成模擬信號采集、姿態(tài)控制、電機控制、數(shù)據(jù)存儲等功能。本實用新型具有可靠性高，運算處理能力強，實時性好，穩(wěn)定性好等特點，實現(xiàn)了自主飛行，為實現(xiàn)該類無人機自主飛行研究提供了一種新的思路。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本實用新型飛行器硬件結構示意圖。
[0028]圖2是本實用新型地面控制站結構示意圖。

【具體實施方式】
[0029]本實用新型主要由雙芯片飛控部分和地面控制站部分組成，下面結合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明:
[0030]如圖1所示，本實用新型飛行器硬件結構包括主控制器1、從控制器2、氣壓傳感器
3、地磁傳感器4、IMU模塊5、GPS模塊6、遙控接收機7、XBEE模塊8、SD卡9、加速度傳感器
10、陀螺儀傳感器11、電機驅(qū)動12和電源13。
[0031]所述主控制器I主要用于實現(xiàn)與地面站通信、數(shù)字信號采集、導航數(shù)據(jù)融合和推算以及速度和位置控制等功能。
[0032]所述從控制器2主要用于完成模擬信號采集、姿態(tài)控制、電機控制、數(shù)據(jù)存儲等功倉泛。
[0033]所述主控制器I與從控制器2之間通過SPI接口進行通信。
[0034]所述氣壓傳感器3主要用于采集大氣的絕對壓強，通過IIC與主控制器進行連接通信。
[0035]所述地磁傳感器4主要用于感應地磁場的變化，指示飛行器的姿態(tài)和運動角度等信息，通過IIC與主控制器進行連接通信。
[0036]所述IMU模塊5主要用于驗證控制板上各種傳感器的性能并估算姿態(tài)角的準確性。
[0037]所述GPS模塊6主要用于定位無人機的位置，通過UART與主控制器進行通信。
[0038]所述遙控接收機7主要用于接收地面遙控器發(fā)射的信號，并通過UART傳送給主控制器。
[0039]所述XBEE模塊8主要用于無線通信。
[0040]所述SD卡9主要用于存儲設置參數(shù)等數(shù)據(jù)。
[0041]所述加速度傳感器10主要用于垂直和水平方向加速度。
[0042]所述陀螺儀傳感器11主要用于測量角速度。
[0043]所述電機驅(qū)動12主要用于接收從控制器發(fā)送來的指令，控制電機的運轉(zhuǎn)方式與速度。
[0044]所述電源13主要用于給整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓，保證系統(tǒng)可靠工作。
[0045]本實用新型的工作原理:首先地面人員通過操作遙控器送入飛行命令，通過遙控發(fā)射機發(fā)送指令給雙芯控制器，接收機接收指令并通過UART輸送給主控制器，主控制器通過SPI將指令送給從控制器，從控制器解碼后通過串口發(fā)送指令給電機控制電機的運轉(zhuǎn)。與此同時主從控制器開始采集信號并處理，然后根據(jù)計算結果及時調(diào)整無人機的狀態(tài)，通過分工協(xié)作，最終使其完成自主飛行的任務。
[0046]以上實施例并非僅限于本實用新型的保護范圍，所有基于本實用新型的基本思想而進行的修改或變動都屬于本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.基于Cortex-M3無人機智能控制系統(tǒng)，其特征在于:包括雙芯片飛控部分和地面控制站部分，所述雙芯片飛控部分包括主控模塊和從控模塊兩部分，所述主、從控制模塊之間通過高速SPI接口進行雙機通信，采用2個STM32處理器同時分工協(xié)作的機制，完成自主飛行控制的任務。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于Cortex-M3無人機智能控制系統(tǒng)，其特征在于:所述主控制器包括地磁和氣壓傳感器、頂U模塊、GPS模塊、遙控接收機和XBEE模塊，主要用于實現(xiàn)與地面站通信、數(shù)字信號采集、導航數(shù)據(jù)融合和推算以及速度和位置控制等功能。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于Cortex-M3無人機智能控制系統(tǒng)，其特征在于:所述從控制器主要包括陀螺儀和加速度傳感器、電機驅(qū)動及SD卡等，主要用于完成模擬信號采集、姿態(tài)控制、電機控制等功能。
【文檔編號】G05B19/418GK203982176SQ201420423087
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權日:2014年7月29日
【發(fā)明者】任玉東, 李云鵬 申請人:安徽理工大學