基于FPGA的无人机飞行控制电路制造技术

本发明专利技术提供了一种基于FPGA的无人机飞行控制电路，包括：控制器模块、九轴测量模块、姿态解算模块、PID控制模块和遥控舵机模块，其中，九轴测量模块、姿态解算模块、PID控制模块以及遥控舵机模块依次电连接；九轴测量模块用于根据加速度计、陀螺仪和所述磁力计传送的测量数据生成并输出九轴数据；姿态解算模块用于根据九轴数据生成并输出飞行姿态数据；PID控制模块用于根据九轴数据以及飞行姿态数据计算生成电机控制数据，遥控舵机模块用于根据遥控信号、电机控制数据生成用以控制电子调速器的控制信号。本发明专利技术的基于FPGA的无人机飞行控制电路，通过采用FPGA作为微控制器，实现对无人机的各个电机的并行控制，提高了电机控制的精确度和实时性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无人机
，特别是涉及一种基于FPGA的无人机飞行控制电路。
技术介绍
一般多旋翼无人机的飞行控制电路包括控制芯片、惯性测量电路、电子罗盘、气压计、PWM输入信号模块、PWM输出信号模块、GPS模块以及串口RS232或I2C等接口。其中，控制芯片多采用MCU(MicrocontrollerUnit，微控制电路)或DSP(DigitalSignalProcessor，数字信号处理器)，即使有些使用了FPGA，FPGA也仅仅用以扩展IO接口。也就是说，目前的多旋翼无人机中飞行控制算法均是采用串行的方式，不能够精确并行的控制多旋翼无人机的电机，对电机控制的精度以及实时性较差。
技术实现思路
鉴于现有技术的现状，本专利技术的目的在于提供一种基于FPGA的无人机飞行控制电路，能够并行的控制无人机的各个电机，从而提高电机控制的精度以及实时性。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于FPGA的无人机飞行控制电路，包括：控制器模块以及分别与所述控制器模块电连接的九轴测量模块、姿态解算模块、PID控制模块和遥控舵机模块，其中，所述九轴测量模块、所述姿态解算模块、所述PID控制模块以及所述遥控舵机模块依次电连接；所述九轴测量模块连接至加速度计、陀螺仪和磁力计，用于根据所述加速度计、所述陀螺仪和所述磁力计传送的测量数据生成并输出九轴数据；所述姿态解算模块用于根据所述九轴数据生成并输出飞行姿态数据；所述PID控制模块连接所述九轴测量模块，所述PID控制模块包括至少三个并行设置的姿态角控制电路，用于根据所述九轴测量模块传送的九轴数据以及所述飞行姿态数据计算生成电机控制数据；所述遥控舵机模块连接遥控器接收机以及与所述无人机的各个电机连接的电子调速器，所述遥控舵机模块用于根据所述遥控器发送的遥控信号、所述PID控制模块输出的电机控制数据生成用以控制所述电子调速器的控制信号，并将所述控制信号反馈至所述PID控制模块，以并行的控制所述无人机的各个电机运行。在本专利技术的一个实施例中，所述九轴测量模块包括中断控制电路以及依次电连接的数据缓冲电路、数据处理电路、数据选通电路、数据还原电路和同步输出电路；其中，所述数据缓冲电路、所述数据处理电路和所述同步输出模块连接所述控制器模块；所述中断控制电路连接至所述数据选通电路和所述数据还原电路，用于控制所述数据选通电路的导通或关闭；所述数据缓冲电路连接所述加速度计、所述陀螺仪和所述磁力计，用以获取所述加速度计、所述陀螺仪和所述磁力计的测量数据，所述数据处理电路用于对所述测量数据进行滤波处理，所述数据还原电路用于对所述测量数据进行数制转换以及归一化处理，所述同步输出模块连接所述姿态解算模块，所述同步输出电路用于同步生成所述九轴数据，并将所述九轴数据传送至所述姿态解算模块。在本专利技术的一个实施例中，所述数据处理电路包括加速度计数据处理单元、陀螺仪数据处理单元和磁力计数据处理单元；所述加速度计数据处理单元包括依次电连接的第一平滑滤波器组和第一数据选通器，用于对所述加速度计的测量数据进行平滑滤波处理；所述陀螺仪数据处理单元包括依次电连接的第二平滑滤波器组、零偏值计算-消除电路以及第二数据选通器，用于对所述陀螺仪的测量数据进行平滑滤波、消除零偏值的处理；所述磁力计数据处理电路包括依次电连接的第三平滑滤波器组、校准-归一化电路以及第三数据选通器，用于对所述磁力计的测量数据进行平滑滤波、校准处理；其中，所述第一数据选通器、所述第二数据选通器以及所述第三数据选通器分别连接至所述控制器模块。在本专利技术的一个实施例中，所述姿态解算模块包括加速度计误差测量电路、磁力计误差测量电路、陀螺仪误差测量电路、四元数更新电路、姿态转换矩阵更新电路以及姿态角转换电路；所述加速度计误差测量电路、所述磁力计误差测量电路均连接至所述陀螺仪误差测量电路，所述陀螺仪误差测量电路依次电连接所述四元数更新电路、所述姿态转换矩阵更新电路以及所述姿态角转换电路；所述陀螺仪误差测量电路用于根据所述加速度计误差测量电路生成的加速度计误差值、所述磁力计误差测量电路生成的磁力计误差值以及所述陀螺仪的测量数据通过互补滤波算法生成陀螺仪修正数据；所述四元数更新电路用于根据所述陀螺仪修正数据以及上一次的四元数值生成新的四元数值；所述姿态转换矩阵更新电路用于根据所述新的四元数值生成姿态矩阵，并将所述新的四元数值反馈至所述加速计误差测量电路及所述磁力计误差测量电路；所述姿态角转换电路用于根据所述姿态矩阵生成姿态角。在本专利技术的一个实施例中，所述PID控制模块包括输出控制电路以及并行设置的三个所述姿态角控制电路，三个所述姿态角控制电路分别为俯仰角控制电路、翻滚角控制电路和航偏角控制电路；所述俯仰角控制电路、所述翻滚角控制电路和所述航偏角控制电路分别连接所述姿态解算模块、所述九轴测量模块和所述输出控制电路；所述输出控制电路输出所述电机控制数据，并将所述电机控制数据反馈给所述俯仰角控制电路、所述翻滚角控制电路以及所述航偏角控制电路。在本专利技术的一个实施例中，所述俯仰角控制电路、所述翻滚角控制电路以及所述航偏角控制电路均采用双环结构。在本专利技术的一个实施例中，所述遥控舵机模块包括接收电路、电机控制电路以及通道编码电路；所述接收电路连接所述电机控制电路和所述通道编码电路，所述电机控制电路、所述通道编码电路连接所述控制器模块；所述接收电路连接所述遥控器接收机，用于接收遥控器发送的包含多个通道数据的遥控信号，并分别对所述遥控信号的多个通道数据进行处理；所述通道编码电路用于根据所述遥控信号生成无人机工作模式控制信号，并将所述无人机工作模式信号传送至所述控制器模块；所述电机控制电路连接所述PID控制模块，所述电机控制电路根据所述PID控制模块输出的电机控制数据以及所述无人机工作模式信号生成所述电机的通道数值，并将所述电机的通道数值转换为用以控制所述电子调速器的控制信号。在本专利技术的一个实施例中，还包括与气压计连接的气压计读取-补偿模块；所述气压计读取-补偿模块包括分别与所述控制器模块电连接的初始化电路、数据读取电路、第四数据选通器、温度补偿电路、AD系数归一化电路以及数制转换电路；所述第四数据选通器连接所述气压计，所述初始化电路、所述数据读取电路均连接至所述第四数据选通器，所述数据读取电路、所述温度补偿电路、所述AD系数归一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的无人机飞行控制电路，其特征在于，包括：控制器模块以及分别与所述控制器模块电连接的九轴测量模块、姿态解算模块、PID控制模块和遥控舵机模块，其中，所述九轴测量模块、所述姿态解算模块、所述PID控制模块以及所述遥控舵机模块依次电连接；所述九轴测量模块连接至加速度计、陀螺仪和磁力计，用于根据所述加速度计、所述陀螺仪和所述磁力计传送的测量数据生成并输出九轴数据；所述姿态解算模块用于根据所述九轴数据生成并输出飞行姿态数据；所述PID控制模块连接所述九轴测量模块，所述PID控制模块包括至少三个并行设置的姿态角控制电路，用于根据所述九轴测量模块传送的九轴数据以及所述飞行姿态数据计算生成电机控制数据；所述遥控舵机模块连接遥控器接收机以及与所述无人机的各个电机连接的电子调速器，所述遥控舵机模块用于根据所述遥控器发送的遥控信号、所述PID控制模块输出的电机控制数据生成用以控制所述电子调速器的控制信号，并将所述控制信号反馈至所述PID控制模块，以并行的控制所述无人机的各个电机运行。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的无人机飞行控制电路，其特征在于，包括：控制器模
块以及分别与所述控制器模块电连接的九轴测量模块、姿态解算模块、PID控制
模块和遥控舵机模块，其中，所述九轴测量模块、所述姿态解算模块、所述PID
控制模块以及所述遥控舵机模块依次电连接；
所述九轴测量模块连接至加速度计、陀螺仪和磁力计，用于根据所述加速
度计、所述陀螺仪和所述磁力计传送的测量数据生成并输出九轴数据；
所述姿态解算模块用于根据所述九轴数据生成并输出飞行姿态数据；
所述PID控制模块连接所述九轴测量模块，所述PID控制模块包括至少三
个并行设置的姿态角控制电路，用于根据所述九轴测量模块传送的九轴数据以
及所述飞行姿态数据计算生成电机控制数据；
所述遥控舵机模块连接遥控器接收机以及与所述无人机的各个电机连接的
电子调速器，所述遥控舵机模块用于根据所述遥控器发送的遥控信号、所述PID
控制模块输出的电机控制数据生成用以控制所述电子调速器的控制信号，并将
所述控制信号反馈至所述PID控制模块，以并行的控制所述无人机的各个电机
运行。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的无人机飞行控制电路，其特征在于，
所述九轴测量模块包括中断控制电路以及依次电连接的数据缓冲电路、数据处
理电路、数据选通电路、数据还原电路和同步输出电路；
其中，所述数据缓冲电路、所述数据处理电路和所述同步输出模块连接所
述控制器模块；所述中断控制电路连接至所述数据选通电路和所述数据还原电
路，用于控制所述数据选通电路的导通或关闭；
所述数据缓冲电路连接所述加速度计、所述陀螺仪和所述磁力计，用以获
取所述加速度计、所述陀螺仪和所述磁力计的测量数据，所述数据处理电路用
于对所述测量数据进行滤波处理，所述数据还原电路用于对所述测量数据进行
数制转换以及归一化处理，所述同步输出模块连接所述姿态解算模块，所述同
步输出电路用于同步生成所述九轴数据，并将所述九轴数据传送至所述姿态解
算模块。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的无人机飞行控制电路，其特征在于，

\t所述数据处理电路包括加速度计数据处理单元、陀螺仪数据处理单元和磁力计
数据处理单元；
所述加速度计数据处理单元包括依次电连接的第一平滑滤波器组和第一数
据选通器，用于对所述加速度计的测量数据进行平滑滤波处理；
所述陀螺仪数据处理单元包括依次电连接的第二平滑滤波器组、零偏值计
算-消除电路以及第二数据选通器，用于对所述陀螺仪的测量数据进行平滑滤波、
消除零偏值的处理；
所述磁力计数据处理电路包括依次电连接的第三平滑滤波器组、校准-归一
化电路以及第三数据选通器，用于对所述磁力计的测量数据进行平滑滤波、校
准处理；
其中，所述第一数据选通器、所述第二数据选通器以及所述第三数据选通
器分别连接至所述控制器模块。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的无人机飞行控制电路，其特征在于，
所述姿态解算模块包括加速度计误差测量电路、磁力计误差测量电路、陀螺仪
误差测量电路、四元数更新电路、姿态转换矩阵更新电路以及姿态角转换电路；
所述加速度计误差测量电路、所述磁力计误差测量电路均连接至所述陀螺
仪误差测量电路，所述陀螺仪误差测量电路依次电连接所述四元数更新电路、
所述姿态转换矩阵更新电路以及所述姿态角转换电路；
所述陀螺仪误差测量电路用于根据所述加速度计误差测量电路生成的加速
度计误差值、所述磁力计误差测量电路生成的磁力计误差值以及所述陀螺仪的
测量数据通过互补滤波算法生成陀螺仪修正数据；
所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张岩，徐基鑫，高鹏，张伟，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44