CN102849226B - 基于多旋翼飞行器的科研教学装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多旋翼飞行器的科研教学装置，包括一个安装有传感器组的多旋翼飞行器、一个安装有仿真软件的地面计算机和地面电源。其中，多旋翼飞行器在地面计算机的控制下可以实现悬停、升降、转向、前后左右飞行等动作；地面电源为飞行器提供持续能源；地面控制计算机采用高级计算机语言来实现传感器信息融合和飞行器控制算法。本发明续航能力强，具有实验设计灵活性强；算法设计多样化；基于高级PC机和高级语言的开发环境和硬件在环技术，容易上手、开发周期短等优点。可用于自动控制理论和飞行器导航理论的科研及教学实验中。

Description

基于多旋翼飞行器的科研教学装置

技术领域

本发明涉及科研或教学的实验装置，尤其涉及一种基于多旋翼飞行器的科研教学装置。

背景技术

近几十年来，现代理论研究的一个焦点就是在有不确定性存在的前提下，如何有效的控制被控对象，尽可能减小实际系统中不可避免的各种不确定性因素对控制系统品质的影响。围绕着这个焦点，现代控制理论学者提出了许多有效的控制系统设计方法，但是，这些现代控制理论成果的先进性缺乏实验验证手段。

现代控制理论中一个典型成熟的教学科研和实验装置是倒立摆，但倒立摆是单输入系统，应用受到限制。多旋翼飞行器实验装置为多输入多输出的复杂模型系统，可以有效的验证和研究各种复杂的控制算法和系统辨识方法。

普通的多旋翼飞行器通过嵌入式系统进行控制，但嵌入式系统软硬件资源有限，难以实现复杂的实时控制算法。而且嵌入式系统一般使用C语言或汇编语言进行编程，开发周期长且需要专门培训才能上手。专门搞理论算法研究的科研实验人员一般习惯使用MATLAB、LabVIEW等高级语言对算法进行仿真和验证，他们不一定熟悉嵌入式系统开发。这对科研和实验设计造成较大的困难。

如公开号为102591350A的中国发明专利，该发明公开了一种“四旋翼无人飞行器的飞行控制方法和系统，所述飞行控制方法包括：导航单元根据飞行器当前飞行状态得到当前飞行数据；飞行控制单元根据所述飞行数据、地面控制站发送的遥控信号或预存的导航信息，生成分别控制四个旋翼的四个转速信息；动力驱动单元根据所述四个转速信息，分别调整四个旋翼的转速，控制飞行器姿态。”

又如公开号为102219051A的中国发明专利，该发明提供一种基于人机交互技术的四旋翼飞行器系统控制方法，特征在于操纵者可通过手势控制四旋翼飞行器。四旋翼飞行器由分布在其几何顶点的四个旋翼的协同运转完成飞行姿态控制,具有偏航角、俯仰角以及滚转角三个自由度。视觉人机交互技术中主要使用了OpenCV和OpenGL。系统通过深度摄像头捕获操纵者的手的深度图像,经计算机分析处理后得到手势信息并生成与之对应的控制信号通过无线通信装置发送给飞行器执行,以此实现从操纵者手的运动状态到飞行器的运动状态的映射,完成手势控制。”

又如公开号为102126554A的中国专利，名称为：一种面对称布局的多旋翼无人飞行器，该专利所述飞行器“包括机身、旋翼组件和起落架；旋翼组件的个数为大于等于4的偶数，每个旋翼组件包含旋翼支撑臂、旋翼电机和旋翼；旋翼电机固定在旋翼支撑臂的外端，旋翼安装在旋翼电机的转轴上并由旋翼电机驱动；所有旋翼组件相对于机身的纵向对称面左右对称分布，并通过旋翼支撑臂的内端固连在机身两侧；机身内设前后隔离的设备舱和电源舱，设备舱包含导航部件、飞行控制部件和通信部件，电源舱内含为全机电子设备供电的电池；起落架固连于机身的下方。”

以上现有技术采用的旋翼飞行器控制都具有各自的效果，但仍没有解决上述的问题，不能用于科研和教学实验，而且现有技术中的旋翼飞行器均采用自身携带的电源，无法长时间持续供电。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于多旋翼飞行器的科研教学装置，可用于自动控制理论和飞行器导航理论的科研及教学实验，从而解决上述现有科研和实验装置存在的缺陷或不足。

为解决上述的技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于多旋翼飞行器的科研教学装置，包括：

测量传感器组：安装在多旋翼飞行器上，用于检测多旋翼飞行器的飞行姿态，测量各项飞行参数，之后将数据传回给地面计算机；

地面计算机：地面计算机中安有装MATLAB、LabVIEW等高级语言仿真软件，对传感器组的数据进行融合处理，解算出飞行器的姿态，并通过事先设计的控制算法计算出控制量，再上传给多旋翼飞行器；

多旋翼飞行器：接收地面计算机传给的控制量后，分配给各个驱动电机，通过控制螺旋桨的转速调整飞行器的飞行姿态；

信号变换接口模块:用于将多旋翼飞行器上的各类测量数据传送给地面计算机；并地面计算机的控制量传送到多旋翼飞行器，直接控制飞行器的驱动电机，对其进行反馈控制，从而实现悬停、升降、转向、前后左右飞行等动作；

地面电源：地面电源通过电缆为多旋翼飞行器提供持续的电能。

本发明运用了将控制对象（实物）与在计算机上实现的测控算法联接在一起的半实物实时仿真技术，或称硬件在环技术。多旋翼飞行器的控制算法采用理论研究人员熟悉的高级语言程序（例如MATLAB、LabVIEW等）实现。此类程序的用户体验相比于普通嵌入式系统的算法语言更加直观明了。在教学方面可以使学生更容易理解和操作。在科研方面，也解决了目前多数理论研究人员不熟悉嵌入式系统底层语言比如汇编语言、C语言的问题。而且此类程序已有大量现成的资源，可以提高研发人员的开发效率，缩短开发周期。

上述多旋翼飞行器中装有多个传感器构成测量传感器组，包括：惯性测量单元IMU、地磁传感器、超声波测距模块以及大气压力传感器，其中惯性测量单元IMU测量飞行器的运动角速度和加速度，地磁传感器测量飞行器的方位角，超声波测距模块测量飞行器的位置，大气压力传感器测量飞行器的飞行高度，这些测得的数据通过信号变换接口模块传给地面计算机。

本发明中，多旋翼飞行器与信号变换接口模块之间通过有线的方式通讯（例如CAN总线，RS485总线）。

相比于现有技术而言，本发明所具有的有益效果是：

1.多旋翼飞行器的每个旋翼可以独立控制，通过控制飞行器多个旋翼的转速，可实现6自由度运动，控制对象是多输入多输出系统，便于研究和验证复杂的控制算法；

2.系统开发语言是开发人员熟悉的高级语言（MATLAB、LabVIEW等），提高开发效率、缩短开发周期；

3.作为科研设备，有利于研究人员将精力完全致力于算法设计和研究；

4.地面电源持续供电，系统续航能力强。

附图说明

图1是本发明一实施例的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

实施例1：基于四旋翼飞行器的科研和教学实验装置

本实施例采用实现算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算功能的高级技术计算语言和交互式环境，比如MATLAB、LabVIEW等，通过总线控制一个四旋翼飞行器。如图1所示，本实施例所提供的科研教学装置包括地面计算机（安装有MATLAB、LabVIEW等和语言的控制及仿真软件）1、信号变换接口模块2、地面电源3、四旋翼飞行器4、测量传感器组5、电缆6组成。地面电源3通过电缆6为四旋翼飞行器4提供持续的电能；飞行器上的测量传感器组5把各类测量数据通过信号变换接口模块2传送给地面计算机1；计算机上运行仿真软件，对传感器组的数据进行融合处理，解算出飞行器的姿态，并通过事先设计的控制算法计算出控制量；通过信号变换接口模块2将控制量传送到多旋翼飞行器4，直接控制飞行器的驱动电机，对其进行反馈控制，从而实现悬停、升降、转向、前后左右飞行等动作。

本实施例中，电缆6包含2组电缆，动力电缆和通讯电缆，长度10米，使得飞行器可以在较大的空间内进行六自由度运动。四旋翼飞行器4与信号变换接口模块2之间通过CAN总线通讯。信号变换接口模块2与计算机1之间通过USB总线通讯。地面电源3为12V，20A直流电源，现有飞行器均采用自身携带的电源（比如电池等），不采用地面电源供电，所以无法持续供电。而本发明的应用场合是教学实验和科学研究，飞行器不需要在很大的空间内飞行，通过供电电缆进行地面供电不会影响实验和科研的效果。

本实施例中，四旋翼飞行器4为现有技术，由4个无刷直流电机驱动4个螺旋桨提供动力。每个无刷直流电机配有独立的调速器。

本实施例中，测量传感器组5固定安装在四旋翼飞行器机体上，采用现有产品实现，具体包括三轴陀螺仪MPU3050，三轴加速度传感器ADXL330，三轴磁场传感器HMC5883，大气压力传感器BMP085和超声波测距模块。其中三轴陀螺仪MPU3050，三轴加速度传感器ADXL330测量飞行器的运动角速度和加速度，三轴磁场传感器HMC5883测量飞行器的方位角，超声波测距模块测量飞行器的位置，大气压力传感器BMP085测量飞行器的飞行高度，这些测得的数据通过信号变换接口模块传给地面计算机。

本实施例中，地面计算机1采用普通的笔记本电脑，控制软件采用MATLAB/SIMULINK。

本实施例中，采用将控制对象（实物）与在计算机上实现的测控算法联接在一起的半实物实时仿真技术，或称硬件在环技术，测量传感器组与驱动电机安装于多旋翼飞行器上，四旋翼飞行器的姿态解算和控制算法在地面计算机中执行，且是由实验和研发人员熟悉的MATLAB、LabVIEW等高级计算语言设计完成。

本实施例中，通过地面电源为多旋翼飞行器持续供电，续航能力强。

本实施例适用于教学及科研，例如：自动控制原理、系统辨识、飞行器导航、多传感器信息融合等的教学与科研。举例说明如下：

1、PID控制教学实验。飞行器上的测量传感器组5把各类测量数据通过信号变换接口模块2传送给地面计算机1；计算机上运行仿真软件MATLAB，对传感器组的数据进行融合处理，解算出飞行器的姿态，并通过PID控制算法，实现四旋翼飞行器的姿态稳定控制。控制量、通过信号变换接口模块2将控制量传送到多旋翼飞行器4，直接控制飞行器的驱动电机，对其进行反馈控制。本方案可以进行PID算法设计、参数整定等实验。

2、模型辨识实验。通过信号变换接口模块2给飞行器施加驱动信号。飞行器上的测量传感器组5把各类测量数据通过信号变换接口模块2传送给地面计算机1；计算机上运行仿真软件MATLAB，对传感器组的数据进行融合处理，解算出飞行器的姿态。根据施加的驱动信号数据，和解算出的姿态数据，可以进行飞行模型辨识实验和研究工作。

以上为本发明的部分实施例，尽管本发明的内容已经通过上述部分实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种基于多旋翼飞行器的科研教学装置，包括：

测量传感器组：安装在多旋翼飞行器上，用于检测多旋翼飞行器的飞行姿态，测量各项飞行参数，其数据实时传回给地面计算机；

地面计算机：地面计算机中安有装仿真软件MATLAB，对测量传感器组的数据进行融合处理，解算出飞行器的姿态，并通过事先设计的控制算法计算出控制量，再上传给多旋翼飞行器；

多旋翼飞行器：接收地面计算机传给的控制量后，分配给各个驱动电机，通过控制螺旋桨的转速调整飞行器的飞行姿态；

信号变换接口模块:用于将多旋翼飞行器上的各类测量数据传送给地面计算机；并将地面计算机的控制量传送到多旋翼飞行器，直接控制飞行器的驱动电机，对其进行反馈控制，从而实现悬停、升降、转向、前后左右飞行动作；

地面电源：地面电源通过电缆为多旋翼飞行器提供持续的电能；

所述测量传感器组把各类测量数据通过信号变换接口模块传送给地面计算机，地面计算机上运行仿真软件MATLAB，对测量传感器组的数据进行融合处理，解算出飞行器的姿态，并通过PID控制算法，实现四旋翼飞行器的姿态稳定控制；通过信号变换接口模块将控制量传送到多旋翼飞行器，直接控制飞行器的驱动电机，对其进行反馈控制，从而能进行PID算法设计、参数整定实验；

所述信号变换接口模块给飞行器施加驱动信号，飞行器上的测量传感器组把各类测量数据通过信号变换接口模块传送给地面计算机；地面计算机上运行仿真软件MATLAB，对测量传感器组的数据进行融合处理，解算出飞行器的姿态，根据施加的驱动信号数据，和解算出的姿态数据，进行飞行模型辨识实验和研究工作。

2.如权利要求1所述的一种基于多旋翼飞行器的科研教学装置，其特征在于，所述地面计算机中多旋翼飞行器的姿态解算和控制算法采用理论研究人员熟悉的高级语言程序实现。

3.如权利要求1所述的一种基于多旋翼飞行器的科研教学装置，其特征在于，所述多旋翼飞行器中装有多个传感器构成测量传感器组，包括：惯性测量单元IMU、地磁传感器、超声波测距模块以及大气压力传感器，其中惯性测量单元IMU测量飞行器的运动角速度和加速度，地磁传感器测量飞行器的方位角，超声波测距模块测量飞行器的位置，大气压力传感器测量飞行器的飞行高度，这些测得的数据通过信号变换接口模块传给地面计算机。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种基于多旋翼飞行器的科研教学装置，其特征在于，所述多旋翼飞行器与信号变换接口模块之间通过有线的方式通讯。

5.如权利要求1-3任一项所述的一种基于多旋翼飞行器的科研教学装置，其特征在于，所述信号变换接口模块与地面计算机之间通过USB总线通讯。