CN103728880B - 一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法和系统 - Google Patents

一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法和系统，利用三轴磁传感器分别对地磁场在无人飞行器的机体坐标系的X、Y和Z轴的地磁分量进行测量，并根据测量的地磁分量的变化确定所需控制的舵机和控制量，该方法简单易行，解决了无人飞行器俯冲拉起后全球定位系统和陀螺仪无法正常工作时无法获得实时姿态信息的问题，能够自主完成无人飞行器的稳定控制。

Description

一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法和系统
技术领域
本发明涉及飞行器控制技术领域，具体涉及一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法和系统。
背景技术
飞行器稳定控制是小型无人飞行器导航控制中的关键技术，在伞降式小型无人飞行器发射后包含两个阶段，垂直向下的伞降阶段和俯冲拉起后的平飞阶段，伞降式小型无人飞行器的稳定控制的主要目的是在无人飞行器经过伞降、完成俯冲拉起后的平飞过程中，维持无人飞行器的稳定飞行。现有的无人飞行器的稳定控制方法依赖于外部全球定位系统值、高精度辅助对准值以及陀螺输出，通过测量无人飞行器姿态作为反馈来实现无人飞行器的飞行控制。
但是，全球定位系统获得信息需要一定的时间，伞降式小型飞行器发射后上电的工作时序导致在伞降完成、无人飞行器俯冲拉起后全球定位系统无法获得稳定的信息，而陀螺仪需要有相对平稳的测量环境，伞降式小型无人飞行器，发射过程中的过载，导致姿态测量装置中的陀螺仪不能正常工作，因而在伞降式小型无人飞行器的控制中不能获得飞行器的实时姿态作为控制反馈。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法和系统，解决了伞降式小型无人飞行器俯冲拉起后全球定位系统和陀螺仪无法正常工作从而无法获得实时姿态信息的问题，能够自主完成无人飞行器的稳定控制。
有益效果：
1、本发明将地磁场在无人飞行器的机体坐标系的X、Y和Z轴的地磁分量的变化作为无人飞行器实时姿态的反馈，解决了无人飞行器俯冲拉起后全球定位系统和陀螺仪无法正常工作时的无人飞行器的稳定控制问题，方法简单易行，能够有效的实现飞行器俯冲拉起后的稳定控制。
2、本发明将伞降过程无人飞行器处于垂直向下阶段的姿态作为无人飞行器平飞后的稳定控制的参考，将处于垂直向下阶段获得的前N次的地磁分量的平均值作为初始电磁分量，保证了获得的控制信息的准确性，从而更好的实现无人飞行器的稳定控制。
3、本发明中将三轴磁传感器获得的地磁分量经过低通滤波、差分放大、模数转换、温度补偿和硬磁干扰处理后再用于控制舵和控制量的解算，能够去除外界条件的干扰，保证了获得的控制信息的可靠性，进一步保证了无人飞行器稳定控制的实现。
附图说明
图1为本发明三轴磁传感器的摆放方式示意图；
其中，8-三轴磁传感器，9-无人飞行器机体；
图2为无人飞行器姿态变化方式判断试验结果图；
图3为本发明硬件组成示意图；
图4为本发明处理单元的工作流程图：
其中，1-三轴磁传感器，2-采集处理芯片，3-运动模式及控制量计算芯片，4-数据存储器，5-信号发送芯片，6-处理单元，7-舵机。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法，用于无人飞行器俯冲拉起后的平飞过程的稳定控制，利用三轴磁传感器分别对地磁场在无人飞行器的机体坐标系的X、Y和Z轴的地磁分量进行测量，并根据测量的地磁分量的变化确定所需控制的舵机和控制量。
该方法解算简单，将地磁场在无人飞行器的机体坐标系的X、Y和Z轴的地磁分量作为无人飞行器实时姿态的反馈，解决了伞降式小型无人飞行器俯冲拉起后全球定位系统和陀螺仪无法正常工作从而无法获得实时姿态信息的问题，能够自主完成无人飞行器的稳定控制。
本实施例中的三轴磁传感器的精度不低于10mgauss，具体可以根据无人飞行器的控制精度进行选取。无人飞行器的机体坐标系采用北-东-地标准，X、Y和Z轴的正方向分别对应无人飞行器机体坐标系的前、右和下方向。
无人飞行器的主要姿态变换分为俯仰、滚转和偏航，通过比较无人飞行器俯冲拉起后X、Y和Z轴的当前地磁分量与初始地磁分量之间的关系，获得飞行器当前的主要姿态变换，从而确定所需控制的舵机和控制量具体为：
当满足式（1）时，无人飞行器当前姿态包含俯仰运动，控制俯仰舵机：
|Xn-Xf|＞|Yn-Yf|且|Zn-Zf|＞|Yn-Yf|（1）
当满足式（2）时，无人飞行器当前姿态包含滚转运动，控制滚转舵机：
|Yn-Yf|＞|Xn-Xf|且|Zn-Zf|＞|Xn-Xf|（2）
当满足式（3）时，无人飞行器当前姿态包含偏航运动，控制偏航舵机：
|Xn-Xf|＞|Zn-Zf|且|Yn-Yf|＞|Zn-Zf|（3）
控制量分别为：
Xd=k(Xn-Xf)
Yd=k(Yn-Yf)（4）
Zd=k(Zn-Zf)
其中，Xn、Yn和Zn分别为无人飞行器的X、Y和Z轴的当前地磁分量，Xf、Yf和Zf分别为无人飞行器的Z轴负方向的初始地磁分量、Y轴的初始地磁分量和X轴的初始地磁分量，Xd、Yd和Zd分别为滚转舵机、俯仰舵机和偏航舵机的控制量，k为预设的控制系数；所述的X、Y和Z轴的初始地磁分量分别为伞降过程无人飞行器处于垂直向下阶段获得的前N次的X、Y和Z轴的地磁分量的平均值，N为正整数。本实施例中N取10，X、Y和Z轴的初始地磁分量如公式（5）所示。
Xf=(Z1+Z2+…+Z10)/10
Yf=(Y1+Y2+…+Y10)/10（5）
Zf=(X1+X2+…+X10)/10
其中，X1…X10、Y1…Y10、Z1…Z10分别为无人飞行器伞降过程处于垂直向下阶段的X、Y和Z轴前10次采集并处理的地磁分量。
如图2所示，为试验获得的无人飞行器主要的姿态变换方式结果，从图中可以看出根据测量的当前时刻的地磁分量与初始地磁分量进行比较，可以很好的确定需要控制的无人飞行器的舵机，其中，初始地磁分量：Xn;2.903、Yn;3.18、Zn:-0.2426，某一时刻（757秒），获得的当前地磁分量为：Xf:2.707、Yf:3.161、Zf:-0.328，其中，姿态判断中1代表包含偏航运动，2代表包含为俯仰运动，3代表包含滚转运动，如图2中P点所示，根据公式（1）确定P点对应时刻，无人飞行器包含俯仰运动，则控制俯仰舵机进行姿态调整。
将伞降过程无人飞行器处于垂直向下阶段的姿态作为无人飞行器平飞后的稳定控制的参考，伞降过程开始时，无人飞行器处于不稳定状态，伞降完成前无人飞行器处于垂直向下状态，比较稳定，因为所测地磁分量比较准确，保证了获得的控制信息的准确性，从而更好的实现无人飞行器的稳定控制。
本发明中的K为控制系数，由无人飞行器的类型及当地磁场强度决定，具体通过对所要控制的无人飞行器在所运行环境的中进行多次试验获得，通过多次试验得到在稳定控制中K不宜选取过大，本实施例选为1/10。
本发明中将三轴磁传感器获得的地磁分量经过低通滤波、差分放大、模数转换、温度补偿和硬磁干扰处理后再用于控制舵机和控制量的解算，能够去除外界条件的干扰，保证了获得的控制信息的可靠性，进一步保证了无人飞行器稳定控制的实现。
基于上述方法的一种伞降式小型无人飞行器稳定控制系统，包括一个三轴磁传感器和一个处理单元；
三轴磁传感器按照特定方向安装在无人飞行器的质心上，所述特定方向为三轴磁传感器的磁轴方向分别与无人飞行器机体的机体坐标系的X、Y和Z轴的方向重合；
处理单元根据测量地磁分量的变化确定所需控制的舵机和控制量；处理单元包括姿态判定模块和控制量解算模块；
姿态判定模块，根据X、Y和Z轴的地磁分量和（1）～（3）式的判定条件，确定控制哪个舵机，并将确定结果发送给控制量解算模块：
所述控制量解算模块，根据所述确定结果，采用（4）式确定所要控制的舵机的控制量；
舵机的选择和控制量的确定方法已经在本发明的上述方法中介绍，这里不做赘述。
较佳的，本发明中的处理单元的硬件组成包括采集处理芯片2、运动模式及控制量计算芯片3、数据存储器4和信号发送芯片5，采集处理芯片2通过RS-232接口与运动模式及控制量计算芯片3连接，运动模式及控制量计算芯片3与数据存储器4通过三线SPI连接，信号发送芯片5与舵机7通过PWM接口连接，如图3所示，其中，数据存储器4为一个存储容量1MB以上的非易失性存储器；
本实施例中，三轴磁传感器的输出为电压，采集处理芯片2对三轴磁传感器输出的测量值进行采集和处理，获得X、Y和Z轴的地磁分量，并传输给运动模式及控制量计算芯片3；
其中，采集处理芯片2包括采集模块、低通滤波模块、差分放大模块、模数转换模块、温度补偿模块和硬磁干扰去除模块，具体包括下列步骤，如图4所示：
步骤一、采集模块以固定频率对三轴磁传感器输出的电压进行采集，本实施例中的固定频率为50Hz，分别获得X、Y和Z轴正方向的电压。
步骤二、低通滤波模块对采集模块采集到的电压进行低通滤波，由于伞降过程中，载体姿态的变化属于低频变化，而由载体振动等原因引起的传感器变化频率远高于姿态变化频率。本实施例中，对采集到得电压经过50Hz低通滤波处理，从而去除掉高频干扰，留下有用信息。
步骤三、差分放大模块对滤波后的电压进行差分放大，由于磁传感器在变化过程中属于小量变化，所以通常的模拟采样电路不能准确测量出磁传感器的电压变化，所以在此需要添加差分放大电路对磁传感器的输出电压进行放大。
步骤四、模数转换模块对差分放大后的电压进行模数转换分别获得X、Y和Z轴的地磁分量，具体的转换关系根据三轴传感器的灵敏度公式（见传感器附带的传感器手册）。
步骤五、温度补偿模块对获得的地磁分量进行温度补偿，考虑到微小型飞行器使用环境复杂，惯性器件对温度的敏感度较大，所以在采集处理芯片中加入了温度补偿算法以提高数据的精度，具体补偿参数需要根据具体传感器型号确定。在实际测试中，设置温度传感器测试三轴磁传感器工作环境的温度，根据所测温度，对测试值进行温度补偿。
步骤六、硬磁干扰去除模块对温度补偿后的地磁分量进行硬磁补偿，去除硬磁干扰，获得最终的X、Y和Z轴的地磁分量，具体硬磁补偿参数由传感器和无人飞行器运行环境的决定，具体通过多次试验获得。
运动模式及控制量计算芯片3将接收到的地磁分量存储在数据存储器4上；同时，运动模式及控制量计算芯片3在需要地磁分量时，读取数据存储器4中地磁分量，并根据当前地磁分量与初始地磁分量进行比较，采用式（1）（2）（3）（4）确定所需控制的舵机和控制量并传输给发送芯片5；
发送芯片5将需控制的舵机和控制量转换成PWM信号，发送给需控制的舵机按照控制量进行姿态调整。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法，用于无人飞行器俯冲拉起后的平飞过程的稳定控制，其特征在于，利用三轴磁传感器分别对地磁场在无人飞行器的机体坐标系的X、Y和Z轴的地磁分量进行测量，并根据测量的地磁分量的变化确定所需控制的舵机和控制量；
所述确定所需控制的舵机和控制量具体为：
当满足式(1)时，控制俯仰舵机：
|Xn-Xf|＞|Yn-Yf|且|Zn-Zf|＞|Yn-Yf|(1)
当满足式(2)时，控制滚转舵机：
|Yn-Yf|＞|Xn-Xf|且|Zn-Zf|＞|Xn-Xf|(2)
当满足式(3)时，控制偏航舵机：
|Xn-Xf|＞|Zn-Zf|且|Yn-Yf|＞|Zn-Zf|(3)
控制量分别为：
Xd＝k(Xn-Xf)
Yd＝k(Yn-Yf)(4)
Zd＝k(Zn-Zf)
其中，Xn、Yn和Zn分别为无人飞行器的X、Y和Z轴的当前地磁分量，Xf、Yf和Zf分别为无人飞行器的Z轴负方向的初始地磁分量、Y轴的初始地磁分量和X轴的初始地磁分量，Xd、Yd和Zd分别为滚转舵机、俯仰舵机和偏航舵机的控制量，k为预设的控制系数；所述的X、Y和Z轴的初始地磁分量分别为伞降过程无人飞行器处于垂直向下阶段获得的前N次的X、Y和Z轴的地磁分量的平均值，N为正整数。
2.如权利要求1所述的一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法，其特征在于，所述的地磁分量为经过低通滤波、差分放大、模数转换、温度补偿和硬磁干扰处理后的地磁分量。
3.一种伞降式小型无人飞行器稳定控制系统，用于无人飞行器俯冲拉起后的平飞过程的稳定控制，其特征在于，包括一个三轴磁传感器和一个处理单元；
所述三轴磁传感器按照特定方向安装在无人飞行器的质心上，所述特定方向为三轴磁传感器的磁轴方向分别与无人飞行器机体的机体坐标系的X、Y和Z轴的方向重合；
所述处理单元根据测量地磁分量的变化确定所需控制的舵机和控制量；所述处理单元包括姿态判定模块和控制量解算模块；
所述姿态判定模块，根据X、Y和Z轴的地磁分量和(1)～(3)式的判定条件，确定控制哪个舵机，并将确定结果发送给控制量解算模块：
当满足式(1)时，控制俯仰舵机：
|Xn-Xf|＞|Yn-Yf|且|Zn-Zf|＞|Yn-Yf|(1)
当满足式(2)时，控制滚转舵机：
|Yn-Yf|＞|Xn-Xf|且|Zn-Zf|＞|Xn-Xf|(2)
当满足式(3)时，控制偏航舵机：
|Xn-Xf|＞|Zn-Zf|且|Yn-Yf|＞|Zn-Zf|(3)
所述控制量解算模块，根据所述确定结果，采用(4)式确定所要控制的舵机的控制量；
Xd＝k(Xn-Xf)
Yd＝k(Yn-Yf)(4)
Zd＝k(Zn-Zf)
其中，Xn、Yn和Zn分别为无人飞行器的X、Y和Z轴的当前地磁分量，Xf、Yf和Zf分别为无人飞行器的Z轴负方向的初始地磁分量、Y轴的初始地磁分量和X轴的初始地磁分量，Xd、Yd和Zd分别为滚转舵机、俯仰舵机和偏航舵机的控制量，k为预设的控制系数；所述的X、Y和Z轴的初始地磁分量分别为伞降过程无人飞行器处于垂直向下阶段获得的前N次的X、Y和Z轴的地磁分量的平均值，N为正整数。
4.如权利要求3所述的一种伞降式小型无人飞行器稳定控制系统，其特征在于，所述的处理单元的硬件组成包括采集处理芯片(2)、运动模式及控制量计算芯片(3)、数据存储器(4)和信号发送芯片(5)，采集处理芯片(2)通过RS-232接口与运动模式及控制量计算芯片(3)连接，运动模式及控制量计算芯片(3)与数据存储器(4)通过三线SPI连接，信号发送芯片(5)与舵机(7)通过PWM接口连接；
所述采集处理芯片(2)对三轴磁传感器的输出测量值进行采集和处理，获得X、Y和Z轴的地磁分量，并传输给运动模式及控制量计算芯片(3)；
所述运动模式及控制量计算芯片(3)将接收到的地磁分量存储在数据存储器(4)上；同时，运动模式及控制量计算芯片(3)在需要地磁分量时，读取数据存储器(4)中的地磁分量，并将当前地磁分量与初始地磁分量进行比较，采用式(1)(2)(3)(4)确定所需控制的舵机和控制量并传输给发送芯片(5)；
所述发送芯片(5)将需控制的舵机和控制量转换成PWM信号，发送给需控制的舵机按照控制量进行姿态调整。
5.如权利要求4所述的一种伞降式小型无人飞行器稳定控制系统，其特征在于，所述采集处理芯片(2)具体包括采集模块、低通滤波模块、差分放大模块、模数转换模块、温度补偿模块和硬磁干扰去除模块；
所述采集模块以固定频率对三轴磁传感器输出的电压进行采集；
所述低通滤波模块对采集模块采集到的电压进行低通滤波；
所述差分放大模块对所述低通滤波后的电压进行差分放大；
所述模数转换模块对所述差分放大后的电压进行模数转换分别获得X、Y和Z轴的地磁分量；
所述温度补偿模块对获得的地磁分量进行温度补偿；
所述硬磁干扰去除模块对温度补偿后的地磁分量进行硬磁干扰去除。
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