[发明专利]具有旋翼转速检测功能的多旋翼飞行器地面测控系统

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种飞行器控制技术领域的装置，具体是一种具有旋翼转速检测功能的多旋翼飞行器地面测控系统。

背景技术

采用四旋翼结构的飞行器因其飞行稳定性，控制系统设计简便性，飞行路径灵活性，可定点、定向和定高悬停能力及无需专用跑道等突出优点成为国内外自动控制和智能领域最热点的研究对象和平台之一。

经对现有技术的文献检索发现，刘晓杰等在《电子技术应用》(2009年第5期第35-38页)上发表的“微小型四旋翼无人机实时嵌入式控制系统设计与实现”，该文采用三个单轴陀螺传感器芯片ADXRS613和一个两轴加速度传感器芯片ADXL203组成IMU单元，以Xbee Pro模块为远程通信模块，以Freescale公司32位MCU MCF51QE128为处理器芯片使用嵌入式μC/OS错误！未找到引用源。RTOS系统设计了微小型四旋翼无人机实时嵌入式控制系统。但存在如下问题：1)虽然采用了BLDC直流无刷电机转速测量系统，但未体现在以牛顿力学建立的直升机控制方程中，2)Xbee Pro模块采用Zigbee通信方式，数据容量有限且距离较近，3)IMU单元需要通过积分运算得到直升机的俯仰角和滚转角，需要较大的计算量并且存在较大的积分误差，4)MCF51QE12832MCU处理器芯片价格昂贵，不具有ISP功能，软件升级较为麻烦。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种具有旋翼转速检测功能的多旋翼飞行器地面测控系统，使用价格低廉、性价比高、具有ISP功能的8位MCU为控制芯片，通过霍尔芯片测量四个旋翼转速，双轴角度传感器测量俯仰角和滚转角，数字罗盘测量航向角，无线传输芯片进行高速无线通信。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：俯仰角与滚转角测量电路、旋翼转速测量电路、方位角测量电路、无线通信单元、PWM控制电路及主控制器电路，其中：主控制器电路分别与俯仰角与滚转角测量电路、旋翼转速测量电路、方位角测量电路、无线通信单元及PWM控制电路相连并分别传输旋翼转速、倾角与旋转角速度、控制与当前姿态数据及PWM转速控制信号。

所述的电源电路由三块电源管理芯片组成并实现将外部电源提供的+12V电压转换为+5.0V、+3.3V及+1.8V直流电压，为系统供电。

所述的俯仰角与滚转角测量电路由双轴角度传感器芯片和两片正交安装的陀螺仪芯片组成并实现测量四旋翼飞行器的俯仰角和滚转角。与其他旋翼机飞控系统分别采用一片角度传感器芯片和一片加速度陀螺仪芯片组成俯仰角与滚转角测量系统相比，仅有一次积分运算，还具有零点校准功能，可通过高速卡尔曼滤波方法获得高精度的实时俯仰角和滚转角数据。

所述的旋翼转速测量电路由霍尔传感器芯片和安装在旋翼上的磁珠组成并实现将旋翼的转速转换为主控制器电路可处理的数字脉冲信号。

所述的方位角测量电路由磁阻传感器芯片和角速度陀螺仪芯片组成，通过对磁偏角和偏航角速度的测量测定四旋翼飞行器的飞行方向。与其他旋翼机飞控系统分别采用一片角度传感器芯片和一片加速度陀螺仪芯片组航向角测量系统相比，仅具有一次积分运算，可通过高速卡尔曼滤波方法获得高精度的实时航向角数据。

所述的无线通信单元包括电平转换芯片和高速无线数传单元并实现将主控制器电路测得的旋翼转速、俯仰角、滚转角和方位角信号传送给监控装置。

所述的PWM控制电路通过三极管组成的反相器电路实现并实现将主控制器电路发送的控制信号转换为无刷电机的转速控制信号。

所述的主控制器电路通过ARM7嵌入式控制芯片实现并实现处理来自俯仰角与滚转角测量电路、旋翼转速测量电路和方位角测量电路的模拟和数字信号，通过A/D转换等处理后转换为四旋翼飞行器当前的飞行姿态和旋翼转速，结合内嵌的控制软件和算法将新的控制量发送给PWM控制电路以此调节旋翼转速以控制四旋翼飞行器的特定姿态，并通过无线通信单元将飞行姿态和旋翼转速信息发送给监控装置。