基于FPGA的多旋翼無人機系統技術方案

本發明專利技術公開一種基于FPGA的多旋翼無人機系統，包括1個主處理器和4個協處理單元。第一協處理單元包括姿態檢測處理器、姿態檢測脈寬測量模塊、姿態檢測總線接口和姿態檢測數據緩存模塊。第二協處理單元包括載荷檢測處理器、載荷檢測脈寬測量模塊、載荷檢測總線接口和載荷檢測數據緩存模塊。第三協處理單元包括姿態控制處理器和PWM發生器；姿態控制處理器與主處理器連接。第四協處理單元包括載荷控制處理器。通過1個主處理器和4個協處理器共5個處理器獨立工作、并行執行、協同處理，共同完成原有單一處理器所實現的功能，從而有效提高了整個無人機系統的整體性能。

Multi rotor UAV system based on FPGA

The invention discloses a multi rotor unmanned aerial vehicle system based on FPGA, which comprises 1 main processors and 4 processing units. The first processing unit comprises a gesture detection processor, a posture detection pulse width measurement module, a posture detection bus interface and a posture detection data buffer module. The second processing unit includes a load detection processor, a load detection pulse width measurement module, a load detection bus interface and a load detection data cache module. The third processing unit comprises a posture control processor and a PWM generator. Fourth co processing unit includes load control processor. The 1 main processor and 4 coprocessor 5 processors work independently, parallel execution, collaborative processing, to complete a single processor to achieve the original function, so as to effectively improve the overall performance of the UAV system.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及無人機
，具體涉及一種基于FPGA的多旋翼無人機系統。
技術介紹
多旋翼無人機具備機械結構簡單、垂直升降、自主懸停等優點，在航拍、農業噴藥、電力線巡檢、軍事偵探等方面得到廣泛應用。隨著無人機的發展，系統搭載的傳感器越來越多，采集的信息量大，控制對象多，而傳統的處理器比如AVR單片機、DSP處理器以及STM32處理器等由于功能固定且資源有限，已無法滿足多傳感器多任務的系統集成要求，同時也不具備高速和并行處理的能力。隨著無人機的智能化和信息化，功能越來越強大，系統越來越復雜，單一的處理器系統已無法滿足無人機系統需求。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是現有無人機采用單一的處理器系統而無法滿足無人機系統需求的問題，提供一種基于FPGA的多旋翼無人機系統。為解決上述問題，本專利技術是通過以下技術方案實現的：基于FPGA的多旋翼無人機系統，包括1個主處理器和4個協處理單元。第一協處理單元包括姿態檢測處理器、姿態檢測脈寬測量模塊、姿態檢測總線接口和姿態檢測數據緩存模塊；姿態檢測脈寬測量模塊的輸入端連接接收機的PWM信號；姿態檢測總線接口的輸入端連接航姿傳感器的輸出端；姿態檢測脈寬測量模塊和姿態檢測總線接口的輸出端經由姿態檢測數據緩存模塊連接姿態檢測處理器的輸入端；姿態檢測處理器與主處理器連接。第二協處理單元包括載荷檢測處理器、載荷檢測脈寬測量模塊、載荷檢測總線接口和載荷檢測數據緩存模塊；載荷檢測脈寬測量模塊的輸入端連接超聲波脈寬信號；載荷檢測總線接口的輸入端連接載荷模塊；載荷檢測脈寬測量模塊和載荷檢測總線接口的輸出端經由載荷檢測數據緩存模塊連接載荷檢測處理器的輸入端，載荷檢測處理器與主處理器連接。第三協處理單元包括姿態控制處理器和PWM發生器；姿態控制處理器與主處理器連接；姿態控制處理器的輸出端經由PWM發生器連接多個電調模塊的輸入端，每個電調模塊的輸出端與1個電機連接。第四協處理單元包括載荷控制處理器；載荷控制處理器與主處理器連接；載荷控制處理器的輸出端經由載荷驅動模塊與載荷部件連接。上述方案中，姿態檢測總線接口包括姿態檢測SPI接口、姿態檢測I2C接口和/或姿態檢測UART接口。上述方案中，航姿傳感器包括三軸加速度計、三軸電子羅盤、三軸磁強計、氣壓高度計和/或GPS模塊。上述方案中，載荷檢測總線接口包括載荷檢測SPI接口、載荷檢測I2C接口和/或載荷檢測UART接口。上述方案中，載荷模塊模塊包括圖傳模塊、數傳模塊、光流傳感模塊、激光模塊和/或雷達模塊。上述方案中，載荷部件包括云臺和/或舵機。上述方案中，主處理器上還接有擴展串口、Flash存儲器和/或SDRAM存儲器。上述方案中，主處理器與姿態檢測處理器、載荷檢測處理器、姿態控制處理器和載荷控制處理器通過UART串口連接。與現有技術相比，本專利技術將現有單一處理器的無人機系統變為多處理器的無人機系統，即本專利技術的無人機系統由1個主處理器和4個協處理單元構成，每個協處理單元內各設有1個協處理器。1個主處理器和4個協處理器共5個處理器獨立工作、并行執行、協同處理，共同完成原有單一處理器所實現的功能，從而有效提高了整個無人機系統的整體性能。附圖說明圖1為一種基于FPGA的多旋翼無人機系統的原理框圖。具體實施方式一種基于FPGA的多旋翼無人機系統，如圖1所示，包括1個主處理器和4個協處理單元。第一協處理單元包括姿態檢測處理器、姿態檢測脈寬測量模塊、姿態檢測總線接口、姿態檢測數據緩存模塊。姿態檢測處理器，主要負責航姿檢測，實時計算給出姿態信息。多個姿態檢測脈寬測量模塊可同時并行接收來自接收機的多路PWM信號。通過改變脈寬測量模塊的時鐘頻率，可改變姿態檢測脈寬測量模塊的時間精度，因而系統的時間精度和響應時間將得到非常大的提高。姿態檢測總線接口包括SPI/I2C接口和UART接口。多路姿態檢測總線接口并行進行各個傳感器(如三軸加速度計、三軸電子羅盤、三軸磁強計、氣壓高度計和GPS模塊等)的數據解析和與處理。各個姿態檢測數據緩存模塊，只要有數據更新，即可把更新的數據發送到第一協處理器。姿態檢測脈寬測量模塊、姿態檢測總線接口與對應的姿態檢測數據緩存模塊的通信接口信號包括數據緩存申請信號、緩存響應信號和緩存數據。各個姿態檢測數據緩存模塊與姿態檢測處理器的數據通信接口信號包括發送數據請求信號、數據發送響應信號和發送數據。數據總線位寬統一使用16bit，數據不夠16bit，高位用0補齊。多個傳感器數據的并行處理，減少了處理器的工作任務，提高系統響應時間。SPI/I2C接口和UART接口電路只需開發一次，即可重復利用，根據傳感器的接口類型進行選擇。第二協處理單元包括載荷檢測處理器、載荷檢測總線接口和載荷檢測數據緩存模塊。載荷檢測處理器，主要負責載荷數據處理，并把處理的數據送到主處理器。載荷檢測脈寬測量模塊測量超聲波脈寬。載荷檢測總線接口包括SPI/I2C接口和UART接口，多路載荷檢測總線接口并行處理各個載荷(如圖傳/數傳、光流傳感器、激光雷達等)的數據。各個載荷檢測數據緩存模塊，只要有數據更新，即可把更新的數據發送到載荷檢測處理器。載荷檢測脈寬測量模塊、載荷檢測總線接口與載荷檢測數據緩存模塊的通信接口信號包括數據緩存申請信號、緩存響應信號和緩存數據。各個載荷檢測數據緩存模塊與載荷檢測處理器的數據通信接口信號包括：發送數據請求信號、數據發送響應信號和發送數據。數據總線位寬統一使用16bit，數據不夠16bit，高位用0補齊。SPI/I2C接口和UART接口電路根據載荷模塊的接口類型進行選擇。第三協處理單元包括姿態控制處理器和PWM發生器。姿態控制處理器與主處理器連接。姿態控制處理器的輸出端經由PWM發生器連接多個電調模塊的輸入端，每個電調模塊的輸出端與1個電機連接。姿態控制處理器主要負責姿態控制與調整。姿態控制處理器接收主處理器給定的姿態角，把姿態角轉換成各個通道的PWM值，實現對電機轉速和方向的調整，進而實現對無人機載體的姿態調整和控制。PWM信號發生器內嵌于FPGA平臺內，相互之間并行執行，時間精度可達納秒級，執行速度快，增加系統動態調節能力。第四協處理單元包括載荷控制處理器。載荷控制處理器與主處理器連接。載荷控制處理器的輸出端經由載荷驅動模塊與載荷部件連接。載荷控制處理器主要負責載荷動作。載荷處理器接收主處理器發出的載荷控制指令，然后通過載荷驅動控制載荷對象動作，主要包括云臺、舵機等執行部件。此外，主處理器上還接有擴展串口、Flash存儲器和/或SDRAM存儲器。主處理器、姿態檢測處理器、載荷檢測處理器、姿態控制處理器和載荷控制處理器，這5個處理器獨立工作、并行執行、協同處理，提高了系統的整體性能。主處理器主要負責任務調度、協調運行和算法處理。主處理器接收姿態檢測處理器的姿態信息，根據姿態信息進行姿態數據的融合濾波。主處理器為載荷檢測處理器接收和發送載荷數據。主處理器為姿態控制處理器提供姿態角，控制姿態。主處理器給載荷控制處理器控制指令，控制載荷動作。主處理器與各個協處理器通過UART通信，通過UART串口為外部設備輸出姿態信息。由于主處理器需要處理大量載荷數據，同時進行算法處理，因此需要在FPGA平臺的外部為主處理器配置Flash本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于FPGA的多旋翼無人機系統，其特征在于：包括1個主處理器和4個協處理單元；第一協處理單元包括姿態檢測處理器、姿態檢測脈寬測量模塊、姿態檢測總線接口和姿態檢測數據緩存模塊；姿態檢測脈寬測量模塊的輸入端連接接收機的PWM信號；姿態檢測總線接口的輸入端連接航姿傳感器的輸出端；姿態檢測脈寬測量模塊和姿態檢測總線接口的輸出端經由姿態檢測數據緩存模塊連接姿態檢測處理器的輸入端；姿態檢測處理器與主處理器連接；第二協處理單元包括載荷檢測處理器、載荷檢測脈寬測量模塊、載荷檢測總線接口和載荷檢測數據緩存模塊；載荷檢測脈寬測量模塊的輸入端連接超聲波脈寬信號；載荷檢測總線接口的輸入端連接載荷模塊；載荷檢測脈寬測量模塊和載荷檢測總線接口的輸出端經由載荷檢測數據緩存模塊連接載荷檢測處理器的輸入端，載荷檢測處理器與主處理器連接；第三協處理單元包括姿態控制處理器和PWM發生器；姿態控制處理器與主處理器連接；姿態控制處理器的輸出端經由PWM發生器連接多個電調模塊的輸入端，每個電調模塊的輸出端與1個電機連接；第四協處理單元包括載荷控制處理器；載荷控制處理器與主處理器連接；載荷控制處理器的輸出端經由載荷驅動模塊與載荷部件連接。...

【技術特征摘要】
1.基于FPGA的多旋翼無人機系統，其特征在于：包括1個主處理器和4個協處理單元；第一協處理單元包括姿態檢測處理器、姿態檢測脈寬測量模塊、姿態檢測總線接口和姿態檢測數據緩存模塊；姿態檢測脈寬測量模塊的輸入端連接接收機的PWM信號；姿態檢測總線接口的輸入端連接航姿傳感器的輸出端；姿態檢測脈寬測量模塊和姿態檢測總線接口的輸出端經由姿態檢測數據緩存模塊連接姿態檢測處理器的輸入端；姿態檢測處理器與主處理器連接；第二協處理單元包括載荷檢測處理器、載荷檢測脈寬測量模塊、載荷檢測總線接口和載荷檢測數據緩存模塊；載荷檢測脈寬測量模塊的輸入端連接超聲波脈寬信號；載荷檢測總線接口的輸入端連接載荷模塊；載荷檢測脈寬測量模塊和載荷檢測總線接口的輸出端經由載荷檢測數據緩存模塊連接載荷檢測處理器的輸入端，載荷檢測處理器與主處理器連接；第三協處理單元包括姿態控制處理器和PWM發生器；姿態控制處理器與主處理器連接；姿態控制處理器的輸出端經由PWM發生器連接多個電調模塊的輸入端，每個電調模塊的輸出端與1個電機連接；第四協處理單元包括載荷控制處理器；載荷控制處理器與主處理器連接；載荷控制處理器的輸出端經由載荷驅動模塊與載...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張紹榮，莫云，孫山林，馮寶，韋斯銀，林雪霞，譚儉輝，
申請(專利權)人：桂林航天工業學院，
類型：發明
國別省市：廣西;45