一種低成本擴展航姿傳感器模塊的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種低成本擴展航姿傳感器模塊，包括數(shù)據(jù)處理單元、電子羅盤、六軸姿態(tài)傳感器、氣壓計和數(shù)據(jù)輸出接口，所述電子羅盤、六軸姿態(tài)傳感器、氣壓計和數(shù)據(jù)輸出接口分別與數(shù)據(jù)處理單元連接；該模塊還包括GPS單元接口、超聲波測距單元接口和遙控器接收機接口，以及與上述接口分別一一對應(yīng)的GPS單元、超聲波測距單元和遙控器接收機。本實用新型的航姿傳感器模塊，在傳統(tǒng)的航姿傳感器模塊基礎(chǔ)上進行擴展，使其能夠輸出飛控主控制器所需要的傳感器信息，減輕飛控主控制器的計算量，該模塊可以基本滿足遙控多旋翼直升機及固定翼飛行器所需要的傳感器數(shù)據(jù)，并且尺寸小、安裝方便，對于飛控系統(tǒng)的開發(fā)具有很好的實用價值。
【專利說明】
-種低成本擴展航姿傳感器模塊
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型設(shè)及一種低成本擴展航姿傳感器模塊，特別設(shè)及一種應(yīng)用于遙控多旋 翼直升機、固定翼飛行器的航姿傳感器模塊，屬于航姿傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 多旋翼無人直升機是一種結(jié)構(gòu)簡單、易于操控、可垂直起降、懸停狀態(tài)穩(wěn)定的無人 飛行器。多旋翼無人直升機根據(jù)支臂數(shù)不同大致可W分為:Ξ軸、四軸、六軸及八軸，除Ξ軸 結(jié)構(gòu)W外，其他結(jié)構(gòu)每個支臂可W采用單層旋翼布局或雙層旋翼布局。多旋翼飛行器不同 的支臂數(shù)和旋翼數(shù)量，可W實現(xiàn)不同的負載能力。多旋翼無人直升機有極高的可控性、機動 性和穩(wěn)定性，并且具有低噪聲、無污染、攜帶方便、安全危害性小等特點，非常適合于執(zhí)行中 短距離的飛行任務(wù)。固定翼無人機相對于多旋翼無人機飛行速度快，飛行距離遠，但是靈活 性沒有多旋翼直升機好。在軍事和民用領(lǐng)域運兩種類型的無人機均具有廣闊的應(yīng)用前景， 如偵察監(jiān)視、通信中繼、捜索救援、目標跟蹤、電力檢修、航拍成像等。
[0003] 隨著無人機的智能化程度越來越高，遙控飛行器的飛控主控制器所要處理的數(shù)據(jù) 也越來越多，一方面，增加了飛控主控制器的計算量，從而使其處理其他信息的資源變得越 來越少;另一方面，降低了無人機的智能化程度。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 本實用新型所要解決的技術(shù)問題是:提供一種低成本擴展航姿傳感器模塊，在傳 統(tǒng)的航姿傳感器模炔基礎(chǔ)上進行擴展，使其能夠輸出飛控主控制器所需要的傳感器信息， 減輕飛控主控制器的計算量。
[0005] 本實用新型為解決上述技術(shù)問題采用W下技術(shù)方案：
[0006] -種低成本擴展航姿傳感器模塊，包括數(shù)據(jù)處理單元、電子羅盤、六軸姿態(tài)傳感 器、氣壓計和數(shù)據(jù)輸出接口，所述電子羅盤、六軸姿態(tài)傳感器、氣壓計和數(shù)據(jù)輸出接口分別 與數(shù)據(jù)處理單元連接;該模塊還包括GI^單元接口、超聲波測距單元接口和遙控器接收機接 口，W及與上述接口分別一一對應(yīng)的GI^單元、超聲波測距單元和遙控器接收機，所述GI^單 元通過GPS單元接口與數(shù)據(jù)處理單元連接，超聲波測距單元通過超聲波測距單元接口與數(shù) 據(jù)處理單元連接，遙控器接收機通過遙控器接收機接口與數(shù)據(jù)處理單元連接。
[0007] 作為本實用新型的一個優(yōu)選方案，所述電子羅盤、六軸姿態(tài)傳感器、氣壓計分別通 過IIC總線與數(shù)據(jù)處理單元連接。
[000引作為本實用新型的一個優(yōu)選方案，所述數(shù)據(jù)處理單元采用的忍片型號為 STM32F103C8T6。
[0009] 作為本實用新型的一個優(yōu)選方案，所述電子羅盤采用的忍片型號為麗巧88化。
[0010] 作為本實用新型的一個優(yōu)選方案，所述六軸姿態(tài)傳感器采用的忍片型號為 MPU6050。
[0011] 作為本實用新型的一個優(yōu)選方案，所述氣壓計采用的忍片型號為BMP180。
[0012] 作為本實用新型的一個優(yōu)選方案，所述數(shù)據(jù)輸出接口的串口波特率值為115200。
[0013] 本實用新型采用W上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下技術(shù)效果：
[0014] 1、本實用新型低成本擴展航姿傳感器模塊，可W同時輸出飛控主控制器所需要的 多種傳感器數(shù)據(jù)，減輕飛控系統(tǒng)主控制器的工作負擔(dān)，簡化飛控系統(tǒng)的設(shè)計。
[0015] 2、本實用新型低成本擴展航姿傳感器模塊，既可W輸出氣壓高度數(shù)據(jù)又可W輸出 超聲波高度數(shù)據(jù)，飛行器在飛行高度小于4米的低空飛行時，使用超聲波高度有利于提高飛 行品質(zhì)。
[0016] 3、本實用新型低成本擴展航姿傳感器模塊，測得的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后輸出，提高了模 塊的抗干擾性。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本實用新型低成本擴展航姿傳感器模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
[0018] 圖2是本實用新型低成本擴展航姿傳感器模塊的原理圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面詳細描述本實用新型的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出。下面 通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能解釋為對本實 用新型的限制。
[0020] 如圖1、圖2所示，一種低成本擴展航姿傳感器模塊主要包含數(shù)據(jù)處理單元、電子羅 盤、六軸姿態(tài)傳感器、氣壓計、GPS單元接口及與之對應(yīng)的GPS單元、遙控器接收機接口及與 之對應(yīng)的遙控器接收機、超聲波測距單元接口及與之對應(yīng)的超聲波測距單元、數(shù)據(jù)輸出接 P。
[0021] 其中，電子羅盤、六軸姿態(tài)傳感器和氣壓計通過IIC總線與數(shù)據(jù)處理單元相連;GPS 單元和數(shù)據(jù)輸出接口通過數(shù)據(jù)處理單元的UART管腳與其相連;遙控器接收機和超聲波測距 單元通過數(shù)據(jù)處理單元的TIM邸管腳與其相連。具體的忍片選擇及模塊接口功能描述如下。
[0022] 數(shù)據(jù)處理單元：該航姿傳感器模塊采用STM32F103C8T6忍片作為數(shù)據(jù)處理單元， STM32F103C8T6是由STMicroelectronics公司生產(chǎn)的32位Codex-M3內(nèi)核處理器，共有48引 腳，最高工作頻率為72MHz。該忍片擁有36路數(shù)字輸入/輸出接口、4個16位定時器、3個UART 通信接口，封裝方式為LQFP48。對于本實用新型所述的航姿傳感器模塊，STM32F103C8T6具 有足夠的資源和性能。
[0023] 電子羅盤:選用美國化neywell公司生產(chǎn)的HMC588化電子羅盤，其是一種表面貼裝 的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器忍片，應(yīng)用于低成本羅盤和磁場檢測領(lǐng)域。能 使羅盤精度控制在1'·^苦的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，帶有16個引腳，接口為簡易的IIC系列總線，尺 寸為3.0 X 3.0 X0.9mm。具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點，是靈敏度最高和可靠性 最好的傳感器。
[0024] 六軸姿態(tài)傳感器:選用美國Invensense公司生產(chǎn)的MPU-6050六軸姿態(tài)傳感器，其 整合了巧郵它螺儀、3軸加速器，為全球首例整合性6軸運動處理組件。MPU-6050W數(shù)字輸出6 軸或9軸的旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)、歐拉角格式的融合演算數(shù)據(jù)。相較于多組件方案，MPU-6050免 除了組合巧螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間，具有低功耗、低成 本、高性能的特點。角速度的感測范圍為±250 °、±500 °、± 1000 °與±2000。/sec(dsp)，可 準確追蹤快速與慢速動作；同時可編程的加速計的感測范圍為± 2g、± 4g、± 8g與± 16g。傳 感器的測量數(shù)據(jù)最終可通過最高400曲Z的IIC總線輸出。
[0025] 數(shù)字氣壓計：采用德國博世公司生產(chǎn)的BMP180忍片，BMP180是一款低成本、高精 度、小體積、超低能耗的氣壓傳感器?？蓽y量的高度范圍為海拔-500m~9000m，高線性模式下 測量精度為0.25m。尺寸為3.6mm X 3.8 X 0.93mm，電源電壓為1.8V~3.6V，含有溫度輸出?？?通過IIC總線直接與數(shù)據(jù)處理單元相連來輸出數(shù)據(jù)。
[0026] 超聲波測距單元接口：可W兼容低成本的超聲波測距單元，比如深圳市捷深科技 有限公司生產(chǎn)的型號為HC-SR04的超聲波單元。該種類型的超聲波單元可提供2cm-400cm非 接觸式測距功能，測距精度為3mm。該模塊通過10 口化ig觸發(fā)測距，同時Echo引腳變?yōu)楦唠?平，收到回波信號后Echo引腳變?yōu)榈碗娖?，Echo引腳持續(xù)的時間即超聲波從發(fā)射到返回所 用的時間，距離=(高電平時間*聲速)/2。
[0027] GPS單元接口：可兼容UBL0X GPS模塊，通過數(shù)據(jù)處理單元STM32F103C8T6的串口與 GPS模塊相連，串口波特率9600。
[00%]遙控器接收機接口：該接收機接口可W兼容化taba、天地飛等航模遙控器接收機， 通過數(shù)據(jù)處理單元STM32F103C8T6的定時器捕獲功能來讀取遙控器接收機輸出PWM波的高 電平長度，單位為US。該模塊最多可讀取6通道的遙控器數(shù)據(jù)。
[0029] 數(shù)據(jù)輸出接口 ：該接口通過串口輸出傳感器數(shù)據(jù)，串口波特率為115200。并且數(shù)據(jù) 格式兼容匿名提供的開源飛控上位機v4.06版，在上位機上可W顯示該模塊輸出的所有數(shù) 據(jù)。
[0030] (1)數(shù)據(jù)處理單元STM32F103C8T6通過IIC總線讀取電子羅盤忍片、六軸姿態(tài)傳感 器忍片和氣壓計忍片的傳感器數(shù)據(jù)，并進行卡爾曼濾波處理，然后利用四元數(shù)法解算出俯 仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角，W及氣壓高度。
[0031] (2)數(shù)據(jù)處理單元STM32F103C8T6通過UART串口讀取GPS單元數(shù)據(jù)（串口波特率 9600 )，并解算出定位狀態(tài)、衛(wèi)星數(shù)量、經(jīng)締度、GPS高度、GPS速度和速度朝向信息。
[0032] (3)數(shù)據(jù)處理單元5了132。103〔8了6通過111邸管腳讀取遙控器接收機通道信號輸出 管腳和超聲波測距單元回波狀態(tài)Echo管腳的高電平長度。其中讀取到的遙控器接收機數(shù)據(jù) 的高電平長度直接作為遙控器的控制量;讀取到的超聲波測距單元Echo管腳高電平長度經(jīng) 過公式"距離=(高電平時間*聲速)/2"計算出超聲波高度。
[0033] (4)數(shù)據(jù)處理單元STM32F103C8T6通過UART串口輸出處理過的各傳感器數(shù)據(jù)（串口 波特率默認值為115200)，輸出的數(shù)據(jù)包括:Ξ軸姿態(tài)角（俯仰角PIT、滾轉(zhuǎn)角R0L、航向角 YAW)，Ξ軸加速度值(ACC-X、ACC-Y、ACC-Z)，Ξ軸角速度值(GYR-X、GYR-Y、GYR-Z)，Ξ軸磁 強度值(146-乂、146-乂￥、146-2)，氣壓高度、超聲高度、6?5信息(精度、締度、定位狀態(tài)、衛(wèi)星 數(shù)量、GPS高度、GPS速度、速度朝向），6通道遙控數(shù)據(jù)(油口指令T皿、偏航指令YAW、滾轉(zhuǎn)指令 R0L、俯仰指令PIT、輔助指令A(yù)UX1、輔助指令A(yù)UX2)。
[0034] -種低成本擴展航姿傳感器模塊，通過W下接口：電源接口 P6、遙控器接收機接口 P1、超聲波測距單元接口 P3、GPS單元接口 P2,將外部電源、遙控器接收機、超聲波測距單元、 GPS單元與數(shù)據(jù)處理單元連接起來，數(shù)據(jù)輸出接口為P4。
[0035] 外部5V直流電源通過電源接口給整個航姿傳感器模塊供電，經(jīng)穩(wěn)壓忍片AMS1117- 3.3轉(zhuǎn)換為3.3￥給5了132。103〔8了6、1^抓燈及含有3.3￥電源的接口供電，3.3￥電源再經(jīng)過 MIC3219-3.3BM5忍片穩(wěn)壓和濾波處理給傳感器忍片歷巧88化、MPU6050、BMP180供電，同時 還可W通過遙控器接收機接口、超聲波測距單元接口、GPS單元接口中的5V引腳分別給遙控 器接收機、超聲波測距單元、GPS單元供電。
[0036] 該航姿傳感器模塊還包括電源指示燈D1和模塊狀態(tài)指示燈D2,上電后電源指示燈 D1常亮，航姿傳感器模塊運行正常時模塊狀態(tài)指示燈D2閃爍，運行不正常時常亮或者不亮。
[0037] W上實施例僅為說明本實用新型的技術(shù)思想，不能W此限定本實用新型的保護范 圍，凡是按照本實用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本實 用新型保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種低成本擴展航姿傳感器模塊，包括數(shù)據(jù)處理單元、電子羅盤、六軸姿態(tài)傳感器、 氣壓計和數(shù)據(jù)輸出接口，所述電子羅盤、六軸姿態(tài)傳感器、氣壓計和數(shù)據(jù)輸出接口分別與數(shù) 據(jù)處理單元連接;其特征在于，該模塊還包括GPS單元接口、超聲波測距單元接口和遙控器 接收機接口，以及與上述接口分別一一對應(yīng)的GPS單元、超聲波測距單元和遙控器接收機， 所述GPS單元通過GPS單元接口與數(shù)據(jù)處理單元連接，超聲波測距單元通過超聲波測距單元 接口與數(shù)據(jù)處理單元連接，遙控器接收機通過遙控器接收機接口與數(shù)據(jù)處理單元連接。2. 如權(quán)利要求1所述低成本擴展航姿傳感器模塊，其特征在于，所述電子羅盤、六軸姿 態(tài)傳感器、氣壓計分別通過IIC總線與數(shù)據(jù)處理單元連接。3. 如權(quán)利要求1所述低成本擴展航姿傳感器模塊，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元采用 的芯片型號為STM32F103C8T6。4. 如權(quán)利要求1所述低成本擴展航姿傳感器模塊，其特征在于，所述電子羅盤采用的芯 片型號為HMC5883L。5. 如權(quán)利要求1所述低成本擴展航姿傳感器模塊，其特征在于，所述六軸姿態(tài)傳感器采 用的芯片型號為MPU6050。6. 如權(quán)利要求1所述低成本擴展航姿傳感器模塊，其特征在于，所述氣壓計采用的芯片 型號為BMP180。7. 如權(quán)利要求1所述低成本擴展航姿傳感器模塊，其特征在于，所述數(shù)據(jù)輸出接口的串 口波特率值為115200。
【文檔編號】G01C5/06GK205450780SQ201620153712
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年2月29日
【發(fā)明人】李騰, 王新華, 劉翎予, 宋遐淦
【申請人】南京航空航天大學(xué)