大，这便需要进行如图2所示处理过程，将两者采样后的数据通过数据融合技术处理以得到高精度的高度数据值。如图3所示，气压高度计采用瑞士的MS5803-01BA数字式气压传感器，直接输出数字量信号，可直接通过其SPI接口与微处理器相连，其具有电压低(I.8V-3.6V)、稳定性好、功耗低(工作电流ΙμΑ;待机电流〈0.15μΑ)、体积小、精度高等特点，量程为10-1300mbar，可在-40°C_85°C的温度中工作，十分适用于野外气压和高度的测量，分辨率可以达到±0.1HUMS5803-01BA同时具有I2C和SPI接口，内部A/D转换器为Δ - Σ型的，输出量为24位压力和温度数字信号，最快转换时间为lms。计算机或者微处理器可以通过I2C或SPI接口来采集并处理气压和温度数据。
[0028]如图4所示，地磁传感器采用飞思卡尔公司的3轴数字式磁力计MAG3110，其数据更新频率可以达到80Hz，数据输出速率可在12ms到数秒钟之间进行调整，内置有标准的I2C接口，其通信速率最快可以达到400kHz，可以测量磁场强度最高达10高斯的地磁场。图中的SCLl连接主控制板上微处理器对应I2C接口的时钟信号线，SDAl连接对应接口的数据信号线。将MAG3110与3轴加速度传感器结合使用，能够精确罗盘航向信息。
[0029]此外，飞行控制计算机10中采用STM32L作为控制系统微处理器。该处理器采用ARMCortex-M4 32位内核，32kHz的运行频率。在正常运行模式下，闪存的电流消耗最低230A/MHz，STM32L的功耗/性能比最低，为185A/DMIPSJTM32L以低电压实现高性能，有效延长电池供电设备的充电间隔。数字功能的最低工作电源电压为1.65V，在电池电压降低时，可以延长电池供电设备的工作时间。以上气压高度计、地磁传感器搭载在主控制板上，而陀螺仪和加速度计搭载在从控制板上，主控制板上所需的电源由从控制板供给。
[0030]如图5所示，加速度计采用三轴ADXL335传感器，该加速度计的灵敏度受供电电压的影响。当供电电压为3.6V时，输出灵敏度为350mv/g;当供电电压为2V时，输出灵敏度为1901^/^，本实例中为40乂1^35模块设计的供电电压为3￥<^40:，￥40:，240:分别接微处理器内置ADC对应的三个通道。C15、C16、C17是滤波电容，大小为0.47uf，设置带宽为10HZ(3U5为低静态电流电压的降压稳压器MCP1700，其输出电压为3V，为加速度计提供工作电压。ADXL335可以控制其输出管脚Xout、Yout、Zout的带宽，通过分别在Xout、Yout、Zout的管脚上引入电容就可以构成低通滤波器，减少高频噪音。
[0031]如图6所示，陀螺仪采用Analog Devices公司BGA-32陶瓷外壳封装的ADXRS610，选用三个单轴的ADXRS610，用于测量分别围绕X轴、y轴、z轴转动的角速度。C7是电源退耦电容，C4是电源退耦电容，Cl、C5是充电电容，C6是HV滤波电容。AVCC接电源模块正模拟电压端，GND为模拟地端;VDD为电荷电源输入端，PGND为电荷电源接地端;AVCC与VDD之间、PGND与AGND之间用O欧姆电阻隔离，Pl中rateout接口为一个电压输出信号，表征陀螺仪角速度的大小，该端口连接到微处理器内置ADC的输入通道。外部电容C2与片上电阻Rout结合构成低通滤波器，可减少高频噪音的干扰。
[0032]针对飞行器在复杂环境下认知与自适应能力要求的不断提高，多传感器协同工作成为解决这一问题的有效途径。本实用新型提供了一种在洞穴、隧道、山区等特殊环境的超低空环境监测无人机系统，可实现高度在几十厘米到几米范围内多种复杂地形环境的导航控制和无人机状态快速监测。考虑到无人机在实际复杂环境行进中容易受到来自外部环境信号的干扰，本无人机系统运用PID控制算法、基于扰动观测的PID控制算法设计了旋翼式无人机的控制律，不仅融合了完备控制高度的三轴数字式气压传感器，还采用三轴数字式地磁计以及三轴加速度计、陀螺仪，对无人机飞行姿态进行实时控制，中央控制单元进行数据采集、运算和数据传输，其处理器根据已有的传感器数据并结合相关的控制算法计算输出6路PWM信号控制电机的转速，进而调节和控制无人机的姿态和位置，无人机与监控计算机之间通过无线传输部分进行通信，实时交换姿态和位置等相关信息，而无人机则通过接收来自地面监控系统的飞行控制指令来完成指定的环境监测任务。主控制器作为信号处理部件负责完成传感器信号的采集和处理、姿态控制及导航控制算法的解算、旋翼转速控制、数据通讯等工作;传感器模块由三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器、气压高度计、GPS等组成，电源模块负责给机上所有设备的供电；遥控无线链路含遥控器及其接收机，通过遥控无线链路可实现对四旋翼无人机的手动控制;通讯无线链路配合地面控制站完成飞行状态的实时监控。
[0033]以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1.一种低空环境监测无人机系统，其特征在于，包括气压高度计、地磁传感器、陀螺仪、加速度计、北斗差分定位系统、惯性测量单元、任务设备接□、无线传输模块、P丽信号隔离模块、飞行控制计算机、电源模块以及地面站，所述飞行控制计算机分别与气压高度计、地磁传感器、陀螺仪、加速度计、北斗差分定位系统、惯性测量单元以及PWM信号隔离模块相连接，所述飞行控制计算机通过无线传输模块与地面站相连接，所述电源模块为整个系统提供电力支持，所述任务设备接口连接于任务设备。2.根据权利要求1所述的一种低空环境监测无人机系统，其特征在于，所述气压高度计为实现无人机导航定位的数字式气压传感器。3.根据权利要求1所述的一种低空环境监测无人机系统，其特征在于，所述地磁传感器为测量无人机航向的高精度三轴数字式地磁传感器。4.根据权利要求1所述的一种低空环境监测无人机系统，其特征在于，所述陀螺仪为测量无人机单位时间内角度变化量的偏航角速度传感器。5.根据权利要求1所述的一种低空环境监测无人机系统，其特征在于，所述加速度计为测量无人机三维空间域各方向加速度的三轴加速度传感器。6.根据权利要求1所述的一种低空环境监测无人机系统，其特征在于，所述任务设备包括航拍设备、气体检测仪、气象参数检测仪。7.根据权利要求1所述的一种低空环境监测无人机系统，其特征在于，所述PWM信号隔离模块配置有6个直流无刷电机。8.根据权利要求1所述的一种低空环境监测无人机系统，其特征在于，所述北斗差分定位系统包括GPS接收机、GPS天线以及北斗二代，所述GPS接收机与飞行控制计算机相连接，所述北斗二代通过GPS天线与GPS接收机相连接。9.根据权利要求1所述的一种低空环境监测无人机系统，其特征在于，所述无人机为小型多旋翼式无人飞行器。
【专利摘要】本实用新型公开了一种低空环境监测无人机系统，包括气压高度计、地磁传感器、陀螺仪、加速度计、北斗差分定位系统、惯性测量单元、任务设备接口、无线传输模块、PWM信号隔离模块、飞行控制计算机、电源模块以及地面站，飞行控制计算机分别与气压高度计、地磁传感器、陀螺仪、加速度计、北斗差分定位系统、惯性测量单元以及PWM信号隔离模块相连接，飞行控制计算机通过无线传输模块与地面站相连接，电源模块为整个系统提供电力支持，任务设备接口连接于任务设备。本实用新型提供的一种低空环境监测无人机系统，其采用模块化设计思路，利用北斗双模差分定位技术，使无人机能在一些高度在几十厘米到几米范围内的超低空特殊环境中实时快速监测。
【IPC分类】G01C23/00, G05B19/042
【公开号】CN205281183
【申请号】CN201521131268
【发明人】周杰, 姚颖莉, 沈晓燕
【申请人】南京信息工程大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2015年12月30日