基于民用小型無人機的飛行控制器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無人飛行控制系統，具體涉及一種基于民用小型無人機的飛行控制 器。
【背景技術】
[0002] 無人機是用無線電遙控操縱或由自身程序控制操縱的一種不載人飛行器。無人 機不僅在現代高科技軍事戰爭中扮演重要角色，而且在民用領域具有廣闊的市場與應用前 景。民用無人機可應用于航空攝影、氣象探測、勘探測繪、環境研宄、核輻射探測、災害監視 與防救、電力線路查巡等。隨著我國低空開放試點區域的擴大，無人機的應用前景愈發被人 們看好。
[0003] 無人飛行控制系統是無人機系統的核心，負責無人機整個飛行過程的控制和任 務設備管理；其主要目標是控制無人機按照既定航線安全飛行以便在飛行過程中完成預定 的飛行任務，實現以下功能：
[0004] (1)對傳感器輸出及GPS模塊的數據進行采集、處理，并對數據進行解算以得到準 確的姿態、地理坐標、對地速度、航向等信息；
[0005] (2)實現無人機高度保持/控制、速度保持/控制、航向控制、自主飛行等控制律 的解算，并通過數據鏈路上傳控制指令和控制律參數，下傳無人機飛行狀態信息和位置信 息；
[0006] (3)按控制指令、導航和姿態信息控制各種信號的輸出，來使得無人機安全飛行完 成既定任務；
[0007] (4)對飛行過程中的各種數據進行存儲。
[0008] 民用小型無人機由于載荷小、航程近、任務相對單一，所以飛行控制器應當具備體 積小、重量輕、結構簡潔、可靠性高等特點。但是，國內研制無人機飛控系統的單位基本上 是無人機制造廠商如西工大無人機研宄所、南航無人機研宄院等。飛行控制系統作為關鍵 技術是重點發展對象，它的設計基于經典的飛行控制理論，其控制對象為低速大、中型無人 機。目前面向民用小型無人機的飛行控制系統尚存在以下不足：
[0009] (1)體積大，由于飛控系統功能復雜，模塊多而導致重量過大，且造價高；
[0010] ⑵控制電路復雜，抗干擾能力差，導致可靠性下降；
[0011] ⑶結構復雜，潛在的失效可能性增加，且系統中器件多，使得整個系統功耗較高。
【發明內容】
[0012] 針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的是提供一種體積小、重量輕、結構簡 潔和可靠性好的基于民用小型無人機的飛行控制器。
[0013] 實現上述目的，本發明采用如下技術方案：基于民用小型無人機的飛行控制器，其 特征在于，包括飛行控制微處理器、GPS模塊、舵機驅動模塊、傳感器、數據存儲模塊、電源以 及地面測控模塊；形成一個資源統一調度分配、各部分相互協同運作的數字控制系統；其 中，
[0014] 所述飛行控制微處理器是飛行控制系統的核心，擔負傳感器數據的采集、姿態解 算、控制律解算、數據存儲和飛行任務管理任務，選用STM32F103RE;采用體積小的LQFP封 裝芯片；
[0015] 傳感器包括微陀螺儀/加速度計、三軸數字羅盤和高度傳感器，分別用于測量無 人機角速率、加速度、磁場矢量信息和飛機高度信息；無人機的姿態解算算法以上述傳感器 信息為基礎，采集到的信息通過各自的通信接口被傳送給微處理器進行濾波、解算；得到無 人機姿態信息后，將導航與控制的設計問題分解成外環的導航設計與內環的控制設計的方 法，利用滑模控制方法進行導航控制，實行無人機自主導航；
[0016] 所述GPS模塊采用u-bl0X公司型號為LEA-6H的GPS接收模塊；
[0017] 所述舵機驅動模塊采用STM32F103RE微處理器，舵機驅動模塊產生6路PWM信號， 分別對油門、橫滾、偏航、俯仰進行控制，以及預留兩路PWM信號作開傘信號或其他用途；在 微處理器與舵機之間加入主要由快速光電隔離器HCPL2530組成的隔離電路；
[0018] 所述數據存儲模塊主要由EEPROM和TF卡存儲兩部分組成；EEPROM主要用來存儲 系統初始化時所需的參數信息和航點信息，采用型號為AT24C512的EEPROM器件。
[0019] 相比現有技術，本發明具有如下有益效果：
[0020] 1、針對民用無人機中體積小、重量輕、結構簡潔、可靠性高等要求，給出了一種以 STM32F103RE微控制器為核心的小型無人機的硬件系統設計方案，并詳細介紹了系統整體 方案設計以及主要的功能模塊。在小型固定翼無人機上飛行實驗驗證了設計方案的可行性 和可靠性，并設計精煉、低成本、可靠性高，適合批量生產使用。
[0021] 本發明飛行控制器具有體積小、質量輕、可靠性高、成本低等特點，非常適合用于 小型無人機的控制。通過在野外的多次飛行實驗，該飛控系統已實現手動飛行控制、手自動 混合控制、自動返航控制、多航點導航控制等功能，且系統運行穩定，各模塊均正常工作，能 完成按預先設定的飛行任務。通過飛行測試驗證了該系統的可靠性。
[0022] 2、針對小型無人機導航控制系統成本低、計算能力有限的特點，提出了一種簡單、 有效的基于滑模控制理論的非線性導航控制方法，解決了無人機兩點間的平面導航問題。 飛行測試結果表明，該方法合理、有效、穩定性好，可將側向偏離誤差控制在3米內，可以滿 足民用小型無人機的應用要求。
[0023] 本發明在導航控制系統設計時，采用將導航與控制的設計問題分解成外環的導航 設計與內環的控制設計的方法，首先選取一個非線性的滑模面，然后運用幾何學和運動學 推導出總的控制律，最后針對具體需求重新進行了控制律的設計。在自主研發的飛控系統 上的飛行測試結果表明，沿滑模面運動時，對于任意的側向偏離距離，該系統保持穩定，抖 振現象小，且穩態側向偏離誤差在3米內，呈現出良好的航跡跟蹤性能。
【附圖說明】
[0024] 圖1是民用無人機的飛控系統框圖。
[0025]圖2是小型無人機飛行控制器傳感器數據采集模塊原理圖。
[0026] 圖3是小型無人機飛行控制器的隔離電路原理圖。
[0027] 圖4是小型無人機飛行控制器的儲模塊的原理圖。
[0028] 圖5是小型無人機導航飛行時的橫滾角、俯仰角以及航向角。
[0029] 圖6大側向偏離距離測試的實測軌跡圖。
[0030] 圖7側向偏離距離與航跡誤差角的實時變化圖。
[0031] 圖8無人機進入目標航線后的側向偏離距離變化圖。
[0032] 圖9無人機連續航點導航測試飛行軌跡圖。
[0033] 圖10連續航點導航測試側向偏離距離變化圖。
[0034] 圖11實際滾轉角（roll)對參考滾轉角（nav_roll)的跟隨變化圖。
[0035] 圖12自動導航過程中的高度變化圖。
[0036] 圖13滑模控制流程圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0038] 如圖1所示，一種基于民用小型無人機的飛行控制器，集成了飛行控制微處理器、 機載伺服系統、GPS模塊、機載傳感器、數據存儲模塊、電源以及地面測控模塊，形成一個資 源統一調度分配，各部分相互協同運作的數字控制系統。
[0039] 一、系統組成：
[0040] 1、微處理器選型：飛控微處理器是飛行控制系統的核心，擔負著傳感器數據的采 集、姿態解算、控制律解算、數據存儲和飛行任務管理等重要任務，其選型直接影響著飛控 系統的整體性能。基于數字化、小型化、低成本的思想，并綜合考慮了計算能力、片上資源 和接口的豐富程度、功耗大小，本發明選用STM32F103RE微處理器芯片。STM32F1系列芯片 是意法半導體（ST)公司出品的32位新一代ARM微控制器，基于C〇rteX-M3的內核結合了 多種突破性技術，工作頻率達到72MHz。其內置嵌套的向量式中斷控制器，采用完全基于硬 件進行中斷處理的機制，能夠處理多達60個可屏蔽中斷通道和16個優先級，使得微控制 器可以用最小的中斷延遲提供靈活的中斷管理功能，非常適合應用在強實時的系統當中。 STM32F103RE具有豐富的性能優越的片上資源，主要特性如下：
[0041] 1)內部集成了 512K字節的閃存程序存儲器和高達64K字節的SRAM，為程序的運 行和存儲提供了足夠的空間，無需外部擴展；
[0042] 2)擁有多達4個16位定時器，每個定時器有多達4個用于捕獲/輸出PWM的通 道，可用于舵機控制的多路PWM輸出和遙控器信號控制量大小的多路PWM輸入；
[0043] 3)通信接口種類多，包括C接口、USART接口、SPI接口、USB2.0全速接口和SDI0 接口。這些豐富的接口涵蓋了當前主流的通信協議接口，方便微處理器與不同器件的通信， 并且使得硬件的擴展性大大提高；
[0044] 4)靈活的12路通用DMA都有專門的