[发明专利]一种微型扑翼飞行器飞控导航系统

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器控制领域，尤其是一种飞行器飞控导航系统。

背景技术

微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器，它采用一对或几对扑动翼同时产生升力和推力进行飞行，具有体积小、重量轻、隐蔽性好、使用灵活、效率高等优势，如果搭载相关的数据传输和飞行控制系统，就能形成微型扑翼无人飞行器平台，具有广阔的军用和民用前景。目前国际和国内都在开展微型扑翼无人机这方面的研究，其中比较有影响力的有美国Aero Vironment公司的“Microbat”、荷兰Delft大学的“Delfly”等；2011年年初Aero Vironment公司又展示了最新的“Nano Hummingbird”微型扑翼飞行器，该飞行器能像蜂鸟一样飞行，具有图像侦查能力和较强的机动能力。这些微型扑翼飞行器虽然已经具备一定的实用价值，但是它们都没有搭载自主飞行设备，必须通过地面遥控进行飞控控制，距离真正实用的无人机系统还有一定差距。

飞控导航系统难以用于微型扑翼飞行器有以下几点原因：第一，微型扑翼飞行器的飞行控制固有的复杂性。一方面，扑翼飞行过程伴有大幅度俯仰和浮沉的周期性波动，同时微型扑翼飞行器质量轻、惯量小，外界扰动影响显著，这些都会使飞控导航系统传感器单元的测量值发生随机波动，导致传统方法进行的姿态解算发散；另一方面，由于微型扑翼飞行器质量轻、惯量小，控制响应敏感，容错性低，而其所受外界扰动又需要控制输出进行抵消，这就要求飞控导航系统的控制输出既要具有较高的响应速度以维持姿态，又需要避免过大的输出量值甚至是反向输出，也就是既快且准。第二，作为微型飞行器的机载设备，微型扑翼飞行器飞控导航系统必须具有足够小的体积和重量，对器件选型、电路设计、电磁兼容性设计等方面都提出了苛刻的要求。

发明内容

发明内容

为了克服现有飞控导航系统应用于微型扑翼飞行器会出现的姿态解算发散、控制输出的响应速度和控制精度不足、体积和重量无法满足安装要求的不足，本发明提供一种适合微型飞行器特别是微型扑翼飞行器使用的飞控导航系统，并使之具备体积小、重量轻、姿态解算鲁棒性强、控制输出响应速度快，控制精度高的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括飞控导航计算机、传感器单元、存储单元、GPS接收机、GPS天线和数据通讯接口，全部集成于1块Pcb板。

所述飞控导航计算机采用Power PC处理器。该型处理器集成丰富的外围接口，能减小飞控导航系统的重量和尺寸；具备浮点运算能力，计算精度高，能提高姿态解算水平和控制输出精度。

所述传感器单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计、静压传感器和动压传感器，其中加速度计、陀螺仪、磁强计采用MEMS传感器，具有尺寸小、重量轻的特点；输出的各传感器信号通过AD转换后由数据通讯接口的SPI接口送入飞控导航计算机。

所述GPS接收机通过GPS天线接收GPS信号，再将GPS信号通过数据通讯接口的UART接口送入飞控导航计算机进行配置。

所述存储单元包括SRAM存储器和FLASH存储器，通过数据通讯接口的高速总线与飞控导航计算机相连，飞控导航计算机的所有程序和数据都在SRAM存储器中运行，能够保证运算速度和访问速度。

所述飞控导航计算机通过数据通讯接口的PWM输出接口向舵机和电子调速器等执行机构输出控制指令，从而完成控制的执行。

所述飞控导航计算机通过数据通讯接口中专用的UART接口与数据链路相连，通过该接口进行遥测数据和遥控命令通讯。

所述数据通讯接口还包括1个串口，用户通过该串口与所述飞控导航计算机信息交换，可交换的信息包括航路、控制参数和飞行数据。

所述传感器单元使用独立的高精度参考电源供电，传感器单元的模拟电路与飞控计算机的数字电路之间有物理隔离，防止信号串扰，可以获得高精度、低噪音的测量信号。

上述硬件的Pcb设计方面考虑电磁兼容问题，在传统多层板的基础上再次增加地层和电源层，将总线和时钟线布于隔离层内部，缩短总线和时钟线的长度，提高电磁兼容性。

飞控导航计算机的内部功能模块包括通讯控制模块，遥控处理模块，航路生成模块，位置、速度、姿态控制模块，惯性导航和姿态解算模块，手动模式模块，传感器采集处理模块和数据记录、遥测模块。