微型飞行器航空姿态测量显示装置
阅读：1018发布：2020-05-11
专利汇可以提供微型飞行器航空姿态测量显示装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种微型 飞行器 航空 姿态 测量显示装置，包括主机、微 控制器 、速度检测模 块 、 位姿 检测仪、高度检测模块和显示模块；所述主机分别与 微控制器 和显示模块电连接，微控制器分别与速度检测模块、位姿检测仪和高度检测模块电连接。本实用新型具有如下有益效果：本实用新型的 电路 简单稳定，并且检测 精度 高，能够满足 微型飞行器 对航空姿态的检测和显示需求。，下面是微型飞行器航空姿态测量显示装置专利的具体信息内容。
1.一种微型飞行器航空姿态测量显示装置，其特征在于，包括主机(1)、微控制器(2)、速度检测模块(3)、位姿检测仪(4)、高度检测模块(5)和显示模块(6)；所述主机分别与微控制器和显示模块电连接，微控制器分别与速度检测模块、位姿检测仪和高度检测模块电连接。
2.根据权利要求1所述的微型飞行器航空姿态测量显示装置，其特征在于，所述速度检测模块包括电源电路(31)、差分放大电路(32)、多重反馈型滤波电路(33)和输出限幅电路(34)；电源电路分别与差分放大电路、多重反馈型滤波电路和输出限幅电路电连接，差分放大电路与多重反馈型滤波电路电连接，多重反馈型滤波电路与输出限幅电路依次电连接，差分放大电路和输出限幅电路均与微控制器电连接。
3.根据权利要求1所述的微型飞行器航空姿态测量显示装置，其特征在于，高度检测模块包括超声波触发电路(51)、超声波信号接收电路(52)和温度测量电路(53)；超声波触发电路与超声波信号接收电路电连接，超声波触发电路、超声波信号接收电路和温度测量电路均与微控制器电连接。
4.根据权利要求1所述的微型飞行器航空姿态测量显示装置，其特征在于，所述位姿检测仪的型号为MPU9250。
5.根据权利要求1所述的微型飞行器航空姿态测量显示装置，其特征在于，微控制器为STM32。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的微型飞行器航空姿态测量显示装置，其特征在于，显示模块为高亮液晶显示屏。
微型飞行器航空姿态测量显示装置
技术领域
背景技术
[0002] 现代战争中，越来越多的国家开始使用无人飞行器进行侦察以及军事打击。随着微电子、微机电系统等相关领域技术的发展，无人飞行器越来越趋于小型化，并由此催生了微型飞行器的诞生。与传统的无人飞行器不同，微型飞行器尺寸小、重量轻、载荷有限，这使得其无法使用高精度的传感器进行姿态测量，因此准确的姿态估计变得十分困难。实用新型内容
[0003] 本实用新型为了克服现有技术中存在的姿态估计困难的不足，提供了一种电路简单、电路稳定、电路检测精度高，能够实现微型飞行器对航空姿态的检测和显示的微型飞行器航空姿态测量显示装置。
[0004] 为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：
[0005] 一种微型飞行器航空姿态测量显示装置，包括主机、微控制器、速度检测模块、位姿检测仪、高度检测模块和显示模块；所述主机分别与微控制器和显示模块电连接，微控制器分别与速度检测模块、位姿检测仪和高度检测模块电连接。
[0006] 本实用新型通过速度检测模块检测微型飞行器的飞行速度，位姿检测仪检测微型飞行器的位姿，高度检测模块检测微型飞行器的高度，并将检测的结果显示在显示模块上。
[0007] 作为优选，所述速度检测模块包括电源电路、差分放大电路、多重反馈型滤波电路和输出限幅电路；电源电路分别与差分放大电路、多重反馈型滤波电路和输出限幅电路电连接，差分放大电路与多重反馈型滤波电路电连接，多重反馈型滤波电路与输出限幅电路依次电连接，差分放大电路和输出限幅电路均与微控制器电连接。
[0008] 作为优选，高度检测模块包括超声波触发电路、超声波信号接收电路和温度测量电路；超声波触发电路与超声波信号接收电路电连接，超声波触发电路、超声波信号接收电路和温度测量电路均与微控制器电连接；通过超声波触发电路输出超声波信号，超声波接收电路接收信号，并转换为电信号，获得微型飞行器的高度；同时通过温度测量电路检测实时环境温度，换算出超声声速，实现实时温度补偿。
[0009] 作为优选，所述位姿检测仪的型号为MPU9250。
[0010] 作为优选，微控制器为STM32。
[0011] 作为优选，显示模块为高亮液晶显示屏。
[0013] 图1是本实用新型的一种系统框图；
[0014] 图2是本实用新型的微控制器的一种电路连接图；
[0015] 图3是本实用新型的电源电路的第一种电路图；
[0016] 图4是本实用新型的电源电路的第二种电路图；
[0017] 图5是本实用新型的差分放大电路的一种电路图；
[0018] 图6是本实用新型的多重反馈型滤波电路的一种电路图；
[0019] 图7是本实用新型的输出限幅电路的一种电路图；
[0020] 图8是本实用新型的位姿检测的一种原理框图；
[0021] 图9是本实用新型的超声波触发电路的一种电路图；
[0022] 图10是本实用新型的超声波信号接收电路的一种电路图；
[0023] 图11是本实用新型的温度测量电路的一种电路图。
[0024] 图中：主机1、微控制器2、速度检测模块3、位姿检测仪4、高度检测模块5、显示模块6、电源电路31、差分放大电路32、多重反馈型滤波电路33、输出限幅电路34、超声波触发电路51、超声波信号接收电路52、温度测量电路53。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做进一步描述：
[0026] 如图1和图2所示的实施例是一种微型飞行器航空姿态测量显示装置，包括主机1、微控制器2、速度检测模块3、位姿检测仪4、高度检测模块5和显示模块6；所述速度检测模块包括电源电路31、差分放大电路32、多重反馈型滤波电路33和输出限幅电路34；高度检测模块包括超声波触发电路51、超声波信号接收电路52和温度测量电路53；所述主机分别与微控制器和显示模块电连接；电源电路分别与差分放大电路、多重反馈型滤波电路和输出限幅电路电连接，差分放大电路与多重反馈型滤波电路电连接，多重反馈型滤波电路与输出限幅电路依次电连接，差分放大电路和输出限幅电路均与微控制器电连接；超声波触发电路与超声波信号接收电路电连接，超声波触发电路、超声波信号接收电路和温度测量电路均与微控制器电连接。
[0027] 显示模块为高亮液晶显示屏，主机显示主要由两部分构成:1)飞机符号；2)背景，包括天空、大地以及中间的地平线。当飞机的滚转角或俯仰角发生变化时，姿态仪上的飞机符号和背景就会发生相对运动；同时，主机能实时显示滚转和俯仰角度、飞行速度、角速度、高空高度和低空高度。
[0028] 速度检测模块由前后串联的三部分和电源电路组成，前端是由精密零漂移运放构成的约51.72dB差分放大电路，中间级为fc＝100Hz的多重反馈型滤波电路，后端是三运放组成的0～10V高精度输出限幅电路。
[0029] 速度检测电路中，零漂移运放AD8572采用+5V单电源供电，精密运放LT1014C/LT1013C为±15V供电，气压传感器为+10V供电，首先需要对飞行器上的一次直流电源VCC＝+28V±6V进行直流电压变换。一次放大前有用信号均在30mV以下，对供电电源精度及稳定性要求都很高，电源的些许误差或抖动就能造成输出畸变或直接淹没有用信号，故如图3所示，+10V及+5V电源采用三端稳压器LM7810和LM7805变换后输出，LM7810和LM7805的最大电源电压不能超过35V，考虑降额设计准则，电路上首先使用限流电阻R1，限流电阻R2和稳压管1N5932B将电源电压限制在+20V附近，然后再通过三端稳压器变换出需要的+10V和+5V电压。±15V用作精密运放LT1014C/LT1013C的电源，工作于二次放大、滤波及限幅输出电路中，一次放大信号的输出幅度保持在2mV～1.1V之间，对电源的精度及稳定性要求不及电路前端，如图4所示，本实用新型直接选用DC-DC模块WKI2815，该模块具备过流/短路保护功能，在16～40V输入电压条件下可稳定工作，常温下输出纹波不大于80mV。
[0030] 前置差分放大电路是整个传感器信号放大电路的基础，降低电路噪声、温漂抑制、共模抑制等是这类电路的共性要求。一般而言，输入失调电压满足要求时，此类放大电路宜选择专用仪表放大器构成，以充分隔离传感器输出阻抗对放大电路增益的影响，常见仪表运放的输入失调电压基本在50μV以上，失调温漂与仪表运放类型相关，最小也在0.2μV/℃以上，10km/h时，气压传感器输出仅58μV，导致常用成品仪放无法使用，为此，本实用新型采用精密运放搭建仪表放大电路实现前置放大。
[0031] 如图5所示，前级选用ADI公司的精密运放AD8572芯片构成具有50倍增益的电压跟随器，AD8572封装2路独立的CMOS型放大器，工艺上可保证CMRR引起的输出误差相位相同且大小相等，进入后级差动放大电路后理论上可实现误差完全抵消。最大失调电压5μV，保持在最小有用信号的0.1倍以下，按最大温漂系数计算，100℃温度变化范围内可保证失调电压小于10μV。图5中一阶阻容滤波电路R3/C10、R4/C12用于滤除差模信号的高频噪声，截止频率fc≈678Hz，能使10Hz以下的传感器输出信号无衰减通过，电容C11在传感器两输出端形成高频回路，能有效滤除线路上的共态噪声，D5/D10、D7/D6为漏电流极小(≤0.1μV)的开关二极管组(限流电阻未标出)，钳制差动输入端对地电压在3.75～6.25之间波动，起输入保护作用。
[0032] 后级差动放大电路由LT1014C的A通道构成，兼顾后续AD电路±10V的输入要求，设计本级满量程输出+9V，对应理论增益约7.72倍，±15V供电可有效保证二级放大电路工作于线性放大区，0°～70°条件下LT1014C输出失调电压最大300μV，最大温漂2μV/℃，对于一次放大后的输出信号幅度，能满足二级放大电路要求。电阻R8，电阻R9，电阻R11和电阻R13之和，电阻R10和电阻R12之和的数值要求准确相等。
[0033] 需要接入数字系统的调理电路理论上必须配置滤波环节，以尽可能衰减奈奎斯特频率以上信号，防止AD采样后干扰信号搬移或镜像到有用数据中，抗混叠滤波电路特性由有用信号最高频率f0、AD采样频率fs、乃奎斯特频率衰减量、滤波电路实现成本及复杂度等多种因素共同决定。根据对飞行器加/减速和攻角变化(0°→60°)两种飞行状态下的空速计输出电压信号分析，有用信号最高频率确定为f0＝10Hz，滤波器将乃奎斯特频率(fs/2＝3kHz)处信号衰减为原信号的1/‰(-60dB)即可。
[0034] 基于通带内幅频响应平稳度需要，本实用新型选用巴特沃斯特性滤波器，通过压低纹波系数(Rp)，f0以内有用信号衰减可忽略不计。综合考虑滤波效果及电路复杂性，确定滤波器通带截止频率fc＝100Hz，可保证30Hz以下信号无衰减通过，f0处相位失真约11.5°，对应时延3.2ms，f0与fs/2之间未(充分)衰减的无效信号留于数字滤波环节予以解决。如图6所示，滤波器电路结构采用3阶多重反馈LPF实现，该电路高频衰减特性和失真特性较好，元器件灵敏度低，便于工程实现，电路一二阶分别由芯片LT1014C的B、C通道构成。
[0035] 差动放大后空速计满量程输出+9V，经滤波和限幅电路后接入AD采样电路，与AD芯片正向最大输入信号相差仅1V，常用的2CW/2DW、1N系列稳压二极管限幅精度低且重复性差，在9V覆盖空速计最大输出，本设计采用高速开关二极管BAS19和精密运放代替稳压管构成双向限幅电路，如图7所示。跟随电路由TL1014C的D通道构成，上下限幅电路分别由TL1013C的A和B通道构成，调整R20/R21电位计可使上/下限幅值在6～12V/0～6V之间变化。
[0036] 本实用新型设置10V/0V双向限幅输出，当2端输入信号小于0V时，二极管D9正向导通，U3A运放电路工作于跟随输出状态，D8反向截止，U3B负反馈回路等效断开，OUT3输出端被钳制在0V；当2端输入信号位于0～10V时，二极管D9、D8均反向截止，U2A、U3B负反馈回路等效断开，OUT3输出端电压跟随输入信号；当2端输入信号大于10V时，D9截止，D8导通，U3B运放电路工作于跟随状态，OUT3输出端被钳制在10V。电容C17、C16用于消除U3A和U3B电路满幅输出时的电路震荡，C17/C16对信号幅相频响应有较大影响，需视情合理配置，1n条件下，f0处信号衰减0.011dB，相移导致0.6ms时延。
[0037] 位姿检测主要采用MPU9250惯性检测单元进行检测，飞行器进行运动时，该检测单元将对飞行器的加速度、转角惯性等数据进行测量，并通过其专有的频率为400kHz的I2C接口将所测得的16位ADC值数据进行传输至STM32芯片，STM32芯片内部将对所采集的数据进行处理，获得飞行器实时位姿，其工作原理图如图8所示。
[0038] 对于超声波的触发电路，通常窄脉冲触发的激励电路的开关器(大功率场效应管)需要直流高压供电，对于移动机器人显然满足不了；调制脉冲谐振电路仅需要振荡电路来产生高频振荡，以触发换能器发射超声波，振荡电路产生的频率与发射器固有频率相同时，即可输出最佳的超声波信号。如图9所示，本实用新型采用了单脉冲发射电路，由脉冲产生和放大电路组成，由STM32发送的方波信号经驱动换能器产生超声波信号。
[0039] 超声波信号经过空气传播和障碍物表面吸收后的回波信号的强度会不断减小，并且受环境影响会造成强度不稳定。为了提高增强回波信号的采集效果，设计了一种稳定可靠的接收电路，如图10所示，主要采用了超声波专用芯片TL852，其20～90kHz的工作频率满足系统40kHz的超声波信号，包括了回波信号的放大、滤波、增益和整形的功能。超声波接收器的频率-灵敏度特性与输出电阻密切相关，在输出电阻较大的情况下(例如高于超声波传感器阻抗)，频率特性容易出现共振现象，这也使得其灵敏度显著提升。在外接电阻较小的情况下(例如1kΩ以下)，则频率特性曲线变得平滑，带宽变宽，灵敏度降低，甚至最大灵敏度也在逐渐向频率减小的方向变更，因此，要想提高接收端的灵敏度，可以通过改变相关参数使得超声波接收器的工作状态与高输入电阻匹配的前端放大器工作状态相同；根据传感器工作时序可知，当F28335GPIO口输出激励信号TRIG(至少10μs高电平信号)，模块内部将自动产生8个40kHz脉冲信号来触发发射器产生超声波。超声波在接触目标障碍物一瞬间，就会反射回超声波回波信号，检测到有回波信号并将其转换为电信号，作为超声测量信号，经过AD采集模块把数据记录到STM32芯片中。
[0040] 如图11所示，温度补偿电路采用了NationalSemiconductor公司的LM35DZ芯片，其测温精度可达±0.6℃，线性度比较高，且无需外部校准。当LM35DZ的输出温度为0℃时，输出为0V，灵敏度为10mV/℃。工作时根据实际环境温度，换算出超声声速，实现实时温度补偿。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种仿蜂鸟扑翼微型飞行器悬飞下翅翼的设计方法 | 2020-05-12 | 344 |
| 电缆线束测试系统和用于检查电缆线束的测试方法 | 2020-05-12 | 136 |
| 双螺旋微型伸缩装置及小型飞行器天线 | 2020-05-17 | 91 |
| 一种自适应攻角的仿生扑翼飞行器 | 2020-05-08 | 216 |
| 飞行器颤振分析网格模型傅里埃建模方法 | 2020-05-14 | 510 |
| 一种两自由度微型飞行器测试平台 | 2020-05-16 | 374 |
| 一种能够实现人机实时交互的飞行器测试装置 | 2020-05-15 | 615 |
| 一种太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构 | 2020-05-08 | 814 |
| 遥感勘察用飞行器 | 2020-05-14 | 578 |
| 微型检测装置 | 2020-05-12 | 495 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈