基于LTCC的单片式无人机一体化导航飞控微系统

技术领域

本发明属于无人机导航飞控及微系统领域，涉及一种基于LTCC的单片式无人机一体化导航飞控微系统。

背景技术

微小型无人机具有结构简单、安全性高、成本低、使用简便等众多优势，在侦察、目标监视与跟踪、情报收集、信息中继、地理测绘、救灾等诸多领域得到了大量应用。随着应用的深入，行业的发展，微小型无人机对导航飞控系统提出了体积小、重量轻、可靠性高、精度高的进一步更高要求。现有导航飞控系统采用分离的导航传感器模块、组件、多块导航电路板、飞控电路板再加上外部结构件等构成，这种传统的设计架构和制造模式，完全不能适应微小型无人机的发展需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于LTCC的单片式无人机一体化导航飞控微系统，解决微小型无人机对导航飞控系统高精度、微型化、轻量化等需求的问题，采用微系统架构、单片式制作，体积、重量大幅度减小，可以满足微小型无人机的导航和自主飞行控制要求。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)的单片式无人机一体化导航飞控微系统，包括：LTCC电路，以及

LTCC电路顶层1安装的空速计芯片2、与北斗导航天线连接的IPX座5、导航CPU6、飞控CPU 7、电源芯片8、表贴大容量电容、电感和精密电阻等芯片；

LTCC电路底层腔体10内部安装的三轴加速度计芯片12、Z轴陀螺芯片15、三轴磁场计芯片14、高度计芯片13、北斗导航芯片16、存储器芯片11、运放芯片17、RS232芯片19、RS422芯片18、I/O接口芯片、高精度晶振、表贴大容量电容、电感和精密电阻等芯片；

LTCC电路侧壁安装的X轴陀螺芯片3和Y轴陀螺芯片4；

所述导航CPU 6分别与X、Y、Z三轴陀螺芯片、三轴加速度计芯片12、高度计芯片13、空速计芯片2、三轴磁场计芯片14和北斗导航芯片16连接通信；所述飞控CPU 7分别与RS232芯片19和RS422芯片18连接通信，还通过数据总线与导航CPU 6连接，向飞控CPU发送全部导航参数、传感器数据，接收飞控命令；

所述LTCC电路顶层与底层平面相互平行，顶面和底层平面与侧面相互垂直。

优选的，所述导航CPU 6采用SPI接口分别与X、Y、Z三轴陀螺芯片、三轴加速度计芯片12、高度计芯片13、空速计芯片2连接通信，采集三轴角速率、三轴加速度、大气压力和空速压差等数据；所述导航CPU 6采用IIC接口与三轴磁场计芯片14连接通信，采集三轴磁场计数据；所述导航CPU 6采用UART1接口与北斗导航芯片16连接通信，控制北斗导航参数，接收北斗导航芯片16输出的NMEA0183导航数据，向北导航斗芯片16发送地面北斗基准站通过数据链上传的北斗差分数据。

优选的，北斗导航芯片16可采用差分北斗导航芯片。

优选的，所述导航CPU 6采用UART2接口与无人机其它模块通信。

优选的，飞控CPU 7通过信号调理电路和AD电路采集无人机4路模拟信号(包括2套无人机电池电压、飞控电路电压、导航电路电压)；通过DA信号输出模拟控制信号；存储器芯片11存储飞行航点和飞行配置参数等数据；2路RS422芯片18与数据链Ⅰ相连，与地面站进行无线通信，实现遥测、遥控功能；2路RS232芯片19与数据链Ⅱ和任务载荷相连接，接收地面北斗差分站发送的差分数据，与任务载荷设备(光电吊舱、雷达等)通信；预留一路CAN接口；飞控CPU 7输出16路PWM信号，分别控制4-8路无人机旋翼电机、油门、左副翼舵机、右副翼舵机、左V尾翼舵机和右V尾翼舵机等动力装置；通过数字I/O接口控制启动或载荷等开关，监测数字量状态，测量电机转速等。

优选的，所述电源芯片8包括：DC-DC电源芯片和LDO芯片。

优选的，LTCC电路底层腔体10的腔体深度为3mm。

优选的，该微系统的控制方法包括：导航CPU 6采集X/Y/Z轴陀螺、三轴加速度计、三轴磁场计、高度计、空速计等传感器及北斗数据后，经过滤波、误差补偿处理，进行惯性导航、地磁导航、北斗导航解算和大气数据计算，进行自适应卡尔曼滤波组合导航，计算出无人机的最优估计姿态角、速度、位置、高度、角速度和加速度等导航参数，并将参数发送给飞控CPU 7，飞控CPU采用自适应控制算法控制无人机旋翼、副翼、襟翼、方向舵、升降舵和油门等动力装置，实现飞机的起降，水平、侧向、直线、盘旋、定向飞行，按规划航迹飞行，自动驾驶，返航等任务。

优选的，该微系统的制作步骤具体包括：

步骤1：按照单片式一体化导航飞控微系统LTCC电路版图制作LTCC电路，同时北斗射频信号需做好50欧姆的阻抗匹配，同时确保正面和底面平整和平行，正面、地面与侧面垂直，电路制作完成后，选取检验合格的LTCC电路板；

步骤2：采用高温焊膏进行LTCC电路板顶层芯片贴装，空速计芯片不贴装；

步骤3：采用低温焊膏对LTCC电路板底层腔体内芯片贴装；

步骤4：LTCC侧面芯片、空速计芯片焊接，采用手工方式将X、Y轴陀螺芯片焊接到LTCC电路侧面，空速计芯片焊在顶层；

步骤5：各种传感器标定，将导航飞控微系统装在夹具上，然后安装到转台上，对陀螺、加速度计的零位、比例系数、交叉耦合、温度系数进行标定，对磁场计误差系数进行标定，用标准气压系统对气压高度计芯片、空速计芯片进行标定；

步骤6：导航、飞控程序烧写，将标定、补偿后的各种传感器参数写入到导航程序和飞控程序中，将程序烧入到导航CPU和飞控CPU中；

步骤7：对单片式一体化导航飞控微系统进行测试，按照规范进行检验，合格后即完成制作，进行产品入库。

本发明的有益效果在于：本发明总体上采用微系统技术设计制作，导航飞控微系统以LTCC为结构体，同时内部进行高密度、多层布线，LTCC上高精度三维立体集成多种导航源传感器、导航解算CPU、飞行控制CPU、导航电路、飞行控制电路等，该技术极大提高了系统集成度，具有良好的导热性、高可靠性，导航飞控系统结构和功能一体化制造，因此，与传统的无人机导航系统加飞控系统架构相比，体积、重量成倍减小，精度和可靠性大幅提高。具体有益效果为：

1)体积小，本发明的一体化导航飞控微系统仅由单片LTCC陶瓷电路构成，体积仅有32mm×20mm×7mm，比现有无人机导航飞控系统小110倍。

2)重量轻，本发明的单片式导航飞控微系统的重量小于10g，是现有无人机导航飞控系统的1/40。

3)功耗低，本发明采用了微系统架构，功耗可以低至0.6W，是现有导航飞控系统功耗的1/10。

4)本发明的一体化导航飞控微系统软件可灵活配置，通过烧写不同的飞行控制软件，可满足旋翼、固定翼、混合布局(旋翼和固定翼组合)等多种类型无人机的导航和飞行控制。

5)本发明结构功能一体化制作，该LTCC既是导航飞控电性能载体，同时也是结构体，制作完成后直接装入到无人机，完成导航和飞行控制功能。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明无人机一体化导航飞控微系统俯视图；

图2为本发明无人机一体化导航飞控微系统仰视图；

图3为本发明无人机一体化导航飞控微系统架构分解图；

图4为本发明无人机一体化导航飞控微系统组成关系图；

图5为本发明无人机一体化导航飞控微系统制作流程图；

附图标记：1-LTCC电路顶层，2-空速计芯片，3-X轴陀螺芯片，4-Y轴陀螺芯片，5-IPX座，6-导航CPU，7-飞控CPU，8-电源芯片，9-引脚焊盘，10-LTCC电路底层腔体，11-存储器芯片，12-三轴加速度计芯片，13-高度计芯片，14-三轴磁场计芯片，15-Z轴陀螺芯片，16-北斗导航芯片，17-运放芯片，18-RS422芯片，19-RS232芯片。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图5，本实施例设计了一体化导航飞控微系统，其物理架构如图1～图3所示。该微系统由一块单片的LTCC电路构成，该电路既是各种芯片的物理载体，也是各个芯片之间信号连接的多层线路板，并且内部埋植多个电阻，底部的焊盘既用作导航微系统与用户载体的电信号连接，也作为微系统的结构固定。其顶层平面与底层的按照平面平行，顶面和底层腔体平面与侧面严格垂直，为导航飞控微系统中的X、Y、Z三轴传感器安装提供正交保障。LTCC电路顶部为平面，底部为一个腔体，腔体深度为3mm。

1)LTCC电路顶层1安装有空速计芯片2、与北斗导航天线连接的IPX座5、导航CPU6、飞控CPU 7、电源芯片8、表贴大容量电容、电感和精密电阻等芯片。

电源芯片8组分别输出5V、模拟3.3V、数字3.3V、数字1.8V给陀螺、加速度计、磁场计、高度计、空速计、运放、导航CPU、飞控CPU、存储器、RS232、RS422、北斗导航芯片等提供电源。

空速计芯片2采用SPI总线与导航CPU的SPI2接口相连接，输出动压和静压的压力差数据，导航CPU经过补偿、计算后得到无人机的空速。

飞控CPU 7分别采用UART1、UART2串口与RS422芯片相连接，并与无人机数据链1连接，通过数据链1实现飞控CPU与无人机地面控制站进行通信。

飞控CPU 7通过UART3串口与RS232芯片连接，并与数据链2连接，高精度北斗差分芯片通过数据链接收地面北斗差分站发送的差分数据，工作在RTK差分状态，输出高精度差分定位数据。

飞控CPU 7通过UART4串口与RS232芯片连接，并与任务载荷(如光电吊舱等)相连接，控制任务载荷完成搜索、跟踪、识别等任务，接收目标数据。

飞控CPU 7通过PWM-16路引脚输出PWM信号，控制旋翼、副翼、襟翼、方向舵、升降舵、油门等电机和舵机。

飞控CPU 7通过I/O脚1-6与启动、载荷等开关、测量传感器相连接，输出开关信号。

2)LTCC电路底部为腔体结构，即LTCC电路底层腔体10内部安装有三轴加速度计芯片12、Z轴陀螺芯片15、三轴磁场计芯片14、高度计芯片13(可选气压高度计芯片)、北斗导航芯片16、存储器芯片11、运放芯片17、RS232芯片19、RS422芯片18、I/O接口芯片、高精度晶振、表贴大容量电容、电感和精密电阻等芯片。

三轴加速度计芯片12安装在LTCC底部腔体内，通过SPI总线与导航CPU的SPI1接口相连接，输出三轴加速度数据。

三轴磁场计芯片14使用IIC总线与导航CPU的IIC1相连接，输出三轴磁场信号。

高度计芯片13使用SPI总线与导航CPU的SPI1接口相连接，输出大气压力数据。

北斗导航芯片16采用UART1与导航CPU的UART2接口相连接，输出北斗卫星导航数据。

导航CPU 6采用UART6与飞控CPU的UART6接口相连接，传输速度为2Mbps，导航CPU将无人机的三轴角速度、加速度、磁场信号、气压高度、空速、航向、姿态、经度、纬度、高度、磁航向、速度等数据发送给飞控CPU。

存储器芯片11采用SPI总线与飞控CPU的SPI1接口相连接，存储无人机的配置文件，包括飞行参数设置、航点、航线等参数。

3)LTCC电路侧壁分别安装有X轴陀螺芯片3和Y轴陀螺芯片4，充分利用LTCC电路的X、Y、Z三个平面互相垂直，实现三轴陀螺之间相互正交，同时提高飞控系统集成度。

X、Y轴陀螺芯片分别安装在LTCC的两边侧壁，Z轴陀螺芯片安装在正面，形成正交，通过SPI总线与导航CPU的SPI1接口相连接，输出三轴角速度数据。

无人机的3路电池电压信号0-60V，经过运放进行信号调理，变换成0-3.3V，然后输入到飞控CPU的内置AD引脚，CPU采集AD转换数据，经过计算得到无人机3路电池电压。

该微系统的内部组成关系图如图4所示，二次电源芯片组包括：DC-DC电源、LDO芯片组分别为各种传感器、导航CPU、飞控CPU及其它芯片提供精密电源。

本实施例的一体化导航飞控微系统主要分为无人机导航和飞控两大功能单元。

导航功能单元以导航CPU为核心，导航CPU为ARM M7核，主频480MHz，具有硬件双精度浮点运算能力；导航CPU采用SPI接口分别与X、Y、Z三轴陀螺芯片、三轴加速度计、高度计芯片、空速计芯片通信，采集三轴角速率、三轴加速度、大气压力、空速压差等数据；通过IIC接口采集三轴磁场计数据；通过UART1接口与北斗导航芯片通信，控制北斗导航参数，接收北斗导航芯片输出的NMEA0183导航数据，向北导航斗芯片发送地面北斗基准站通过数据链上传的北斗差分数据；通过UART2与无人机其它模块通信；通过数据总线与飞控CPU相连，向飞控CPU发送全部导航参数、传感器数据，接收飞控命令。

无人机飞控功能单元是以飞控CPU为核心的飞控电路；飞控CPU为ARM M7核，主频最高可达480MHz，具有硬件双精度浮点运算单元；飞控CPU通过信号调理电路和AD电路采集无人机4路模拟信号(包括2套无人机电池电压、飞控电路电压、导航电路电压)；通过DA信号输出模拟控制信号；存储器存储飞行航点、飞行配置参数等数据；2路RS422通信与数据链Ⅰ相连，与地面站进行无线通信，实现遥测、遥控功能；2路RS232通信与数据链Ⅱ和任务载荷相连接，接收地面北斗差分站发送的差分数据，与任务载荷设备(光电吊舱、雷达等)通信；1路CAN通信作为预留；飞控CPU输出16路PWM信号，分别控制4-8路无人机旋翼电机、油门、左副翼舵机、右副翼舵机、左V尾翼舵机、右V尾翼舵机等动力装置；数字I/O信号包括启动、载荷等开关，监测数字量状态，测量电机转速等。

该微系统的的工作原理是：导航CPU采集陀螺、加速度计、磁场计、高度计、空速计等传感器及北斗数据后，经过滤波、误差补偿处理，进行惯性导航、地磁导航、北斗导航解算、大气数据计算，进行自适应卡尔曼滤波组合导航，计算出无人机的最优估计姿态角、速度、位置、高度、角速度、加速度等导航参数，并将参数发送给飞控CPU。飞控CPU采用自适应控制算法控制无人机旋翼、副翼、襟翼、方向舵、升降舵、油门等动力装置，实现飞机的起降，水平、侧向、直线、盘旋、定向飞行，按规划航迹飞行，自动驾驶，返航等任务。

导航CPU中运行了自适应卡尔曼滤波算法，微系统中使用差分北斗高精度定位，卡尔曼滤波状态方程为

式中，F(t)为状态转移矩阵，G(t)噪声驱动矩阵，X(t)为18阶状态变量，系统的观测方程为

式中，v

飞控系统软件由飞行管理、飞行导航、飞行制导、飞行控制、导引律、数据接收处理、系统状态监控、故障管理等部分组成。

该微系统的制作步骤如图5所示，具体如下：

步骤1：按照单片式一体化导航飞控微系统LTCC电路版图制作LTCC电路，同时北斗射频信号要做好50欧姆的阻抗匹配，同时确保正面和底面平整和平行，正面、地面与侧面垂直，电路制作完成后，选取检验合格的LTCC电路板。

步骤2：采用高温焊膏进行LTCC电路板顶层芯片贴装，空速计不贴装。

步骤3：采用低温焊膏对LTCC电路板底层腔体内芯片贴装。

步骤4：LTCC侧面芯片、空速计焊接，采用手工方式将X、Y轴陀螺焊接到LTCC电路侧面，空速计芯片焊在顶层。

步骤5：各种传感器标定，将导航飞控微系统装在夹具上，然后安装到转台上，对陀螺、加速度计的零位、比例系数、交叉耦合、温度系数进行标定，对磁场计误差系数进行标定，用标准气压系统对气压高度计、空速计进行标定。

步骤6：导航、飞控程序烧写，将标定、补偿后的各种传感器参数写入到导航程序和飞控程序中，将程序烧入到导航CPU和飞控CPU中。

步骤7：对单片式一体化导航飞控微系统进行测试，按照规范进行检验，合格后即完成制作，进行产品入库。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。