CN103869811A - 一种四旋翼飞行器的遥控和伺服信号的监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四旋翼飞行器的遥控和伺服信号的监控方法，它由遥控及伺服信号监控装置（1）对四路伺服信号及四路遥控信号进行分析处理，再发出伺服信号控制电子调速器进而控制飞行器的飞行动作；当受到外界突发强干扰或单向持续飞行导致进入信号干扰区或相关器件发生故障等原因引起遥控信号丢失、伺服变化突然加剧，伺服信号丢失等故障瞬时发生时，遥控及伺服信号监控装置能实时发出校正的伺服信号，使飞行器继续飞行至恢复正常飞行；而当遥控信号丢失、伺服变化突然加剧，伺服信号丢失等故障持续发生，可能导致坠机事故时，立即控制四旋翼飞行器返航或迫降，大幅减少坠机事故的发生，提高了四旋翼飞行器的可靠性和安全性。

Description

一种四旋翼飞行器的遥控和伺服信号的监控方法

技术领域

本发明涉及多旋翼无人飞行器的飞行控制方法，尤其涉及一种四旋翼飞行器的遥控和伺服信号的监控方法。

背景技术

四旋翼飞行器是一种具有四个旋翼（螺旋桨）的无人飞行器。其四个旋翼呈十字形或X形交叉结构，相对的两旋翼为一组，具有相同的旋转方向；不同组的旋翼旋转方向不同。与传统的直升机不同，四旋翼直升机只能通过改变旋翼（螺旋桨）的速度来实现各种动作。它能够实现垂直起降、悬停、进退等飞行动作，具有机械结构简单、空间灵活性高、操控简单、自治性好等特点，在航空拍摄、环境监控、地质遥测、安防监控、输电线路巡检等领域具备广泛的应用前景，是近年来智能机器人研究的前沿领域。

四旋翼飞行器通常依靠陀螺仪、加速度计、磁力计、GPS等传感器构成的组合导航系统实现姿态、位置的测量，并通过飞行控制器（微处理器）进行解算、再通过控制算法算出姿态、位置控制信号；飞行控制器输出控制信号分别控制四个旋翼上的电子调速器，驱动四个电机及其旋翼作相应速度的旋转，实现不同的飞行运动。该飞行器是一个典型的非线性欠驱动系统，由四个驱动（输入）信号驱动四个电机及其旋翼转动，实现俯仰（进退）、横滚、升降共六个飞行动作。

四旋翼飞行器的空气动力学模型较为简单，飞行过程中对大气压及空气流动特性的依赖程度较低。它在具备小区域、小范围灵活运动优势的同时，更容易受到周围环境以及自身控制装置系统故障的影响，导致在短时间内发生偏航甚至坠机事故。四旋翼飞行控制故障通常包括遥控器信号丢失、遥控信号不合理、传感器故障、电机伺服信号丢失、电机伺服状态不合理、机械安装故障等六个方面。其中，遥控信号丢失通常是受到外界突发强干扰或单向持续飞行导致进入信号干扰区引起的；遥控信号及伺服参数不正确通常是由于飞行控制器内部复杂问题引起的，反映在电机伺服上往往表现为电机伺服信号变化突然加剧；机械安装误差会影响四旋翼飞行控制器模型精确性以及控制精度，当未受风力等外部因素影响时旋翼飞行器会在目标稳定姿态与实际稳定姿态间递变；姿态及位置传感器故障通常也会影响相应的四旋翼电机伺服器。

四旋翼飞行器故障一般具有突发性、紧促性等特点，常规的飞行控制器缺乏及时、迅速的安防措施，一旦进入信号干扰区域易发生坠机事故，限制了飞行器的应用范围，造成不必要的经济损失和安全隐患。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种四旋翼飞行器的遥控和伺服信号的监控方法，该方法能够在遥控、伺服信号发生异常并可能导致坠机事故时，立即控制四旋翼飞行器返航或迫降，以保障四旋翼飞行器的可靠性和安全性；同时，它能全程记录四旋翼飞行器飞行过程中的遥控、伺服信号，以便对飞行器控制故障的产生原因进行分析，优化故障处理手段，并为四旋翼飞行器的设计、使用和维护提供更加可靠的依据。

本发明解决其技术问题，所采用的技术方案是：一种四旋翼飞行器的遥控和伺服信号的监控方法，其作法是：

飞行控制器的四路伺服信号不直接发给四个电子调速器、而是先送遥控及伺服信号监控装置分析处理；遥控器发送给飞行控制器的四路遥控信号也同步送遥控及伺服信号监控装置进行分析处理；遥控及伺服信号监控装置对四路伺服信号及四路遥控信号进行分析处理的具体操作是：

A、对当前的四路伺服信号和四路遥控信号进行计算、判定出四旋翼飞行器的当前飞行状态，并根据当前飞行状态进行以下B-F步的控制操作；同时将判定出的飞行状态和当前的四路伺服信号和四路遥控信号对应记录在航迹数据库中；

B、如判定出的当前飞行状态不属于以下C-F步骤中的任何一种故障状态，则遥控及伺服信号监控装置直接将当前的四路伺服信号传送给相应的四个电子调速器，四个电子调速器据以控制四个旋翼的电机的转速，实现四旋翼飞行器的正常遥控飞行；

C、如判定出的当前飞行状态属于伺服信号脉宽过窄的故障状态，即遥控及伺服信号监控装置采集到的当前伺服信号的脉宽小于设定的相对于前次脉宽的最小变化值；则当前输出给对应电子调速器的该路伺服信号的脉宽为设定的前次脉宽的最小变化值；从而实现四旋翼飞行器的伺服脉宽过窄的校正遥控飞行；

D、如判定出的当前飞行状态属于伺服信号脉宽过宽的故障状态，即遥控及伺服信号监控装置采集到的当前伺服信号的脉宽大于设定的相对于前次脉宽的最大变化值；则当前输出给对应电子调速器的该路伺服信号的脉宽为设定的相对于前次脉宽的最大变化值；实现四旋翼飞行器的伺服脉宽过宽的校正遥控飞行；

E、如判定出的当前飞行状态属于遥控信号丢失的故障状态，即遥控及伺服信号监控装置在设定的最大采集时间内，未采集到一路或多路遥控信号；伺服信号的遥控及伺服信号监控装置则查询航迹数据库中前一段的飞行状态；如前三个控制周期内的飞行状态不是朝着同一方向飞行，则启动迫降模式：即向四个电子调速器输出垂直降落的伺服信号，使四旋翼飞行器垂直降落；如前三个控制周期内的飞行状态均是朝着同一方向飞行，则启动返航模式：即向四个电子调速器输出反方向飞行的伺服信号，使四旋翼飞行器返航；在返航三秒后，遥控及伺服信号监控装置如仍判定出当前飞行状态属于遥控信号丢失的故障状态，则启动迫降模式；否则，恢复四旋翼飞行器的正常遥控飞行；

F、如判定出的当前飞行状态属于伺服信号丢失的故障状态，即遥控及伺服信号监控装置在设定的最大采集时间内，只采集到三路伺服信号；遥控及伺服信号监控装置则根据当前的四路遥控信号以及采集到的三路伺服信号，在航迹数据库中找出最匹配的未采集到的伺服信号的值替换该路伺服信号，据以控制四个旋翼的电机的转速，实现四旋翼飞行器的遥控飞行；如持续七秒后飞行状态仍处于伺服信号丢失的故障状态，则启动迫降模式：即向四个电子调速器输出垂直降落的伺服信号，使四旋翼飞行器垂直降落；否则，恢复四旋翼飞行器的正常遥控飞行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明由遥控及伺服信号监控装置对四路伺服信号及四路遥控信号进行分析处理后，再发出伺服信号控制电子调速器进而控制飞行器的飞行动作。当受到外界突发强干扰或单向持续飞行导致进入信号干扰区或相关器件发生故障等原因引起遥控信号丢失、伺服变化突然加剧，伺服信号丢失等故障瞬时发生时，遥控及伺服信号监控装置能够发出校正的伺服信号，使飞行器继续飞行至恢复正常飞行；而当遥控信号丢失、伺服变化突然加剧，伺服信号丢失等故障持续发生，可能导致坠机事故时，立即控制四旋翼飞行器返航或迫降，大幅减少坠机事故的发生，提高了四旋翼飞行器的可靠性和安全性。

二、本发明全程记录四旋翼飞行器飞行过程中的遥控、伺服信号，便于对飞行器控制故障的产生原因进行分析，优化故障处理手段，并为四旋翼飞行器的设计、使用和维护提供更加可靠的依据。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例使用的器件的连接关系示意图。

具体实施方式

实施例

图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种四旋翼飞行器的遥控和伺服信号的监控方法，其作法是：

飞行控制器3的四路伺服信号不直接发给四个电子调速器4、而是先送遥控及伺服信号监控装置1分析处理；遥控器2发送给飞行控制器3的四路遥控信号也同步送遥控及伺服信号监控装置1进行分析处理；遥控及伺服信号监控装置1对四路伺服信号及四路遥控信号进行分析处理的具体操作是：

A、对当前的四路伺服信号和四路遥控信号进行计算、判定出四旋翼飞行器的当前飞行状态，并根据当前飞行状态进行以下B-F步的控制操作；同时将判定出的飞行状态和当前的四路伺服信号和四路遥控信号对应记录在航迹数据库中；

B、如判定出的当前飞行状态不属于以下C-F步骤中的任何一种故障状态，则遥控及伺服信号监控装置直接将当前的四路伺服信号传送给相应的四个电子调速器4，四个电子调速器4据以控制四个旋翼的电机的转速，实现四旋翼飞行器的正常遥控飞行；

C、如判定出的当前飞行状态属于伺服信号脉宽过窄的故障状态，即遥控及伺服信号监控装置采集到的当前伺服信号的脉宽小于设定的相对于前次脉宽的最小变化值；则当前输出给对应电子调速器4的该路伺服PWM信号的脉宽为设定的前次脉宽的最小变化值；实现四旋翼飞行器的伺服脉宽过窄的校正遥控飞行。

上述的设定的相对于前次脉宽的最小变化值，通常为该路伺服信号的前次脉宽的80%-85%。

D、如判定出的当前飞行状态属于伺服信号脉宽过宽的故障状态，即遥控及伺服信号监控装置采集到的当前伺服信号的脉宽大于设定的相对于前次脉宽的最大变化值；则当前输出给对应电子调速器4的该路伺服PWM信号脉宽为设定的相对于前次脉宽的最大变化值；实现四旋翼飞行器的伺服脉宽过宽的校正遥控飞行；

上述的设定的相对于前次脉宽的最大变化值，通常为该路伺服信号的前次脉宽的115%-120%。

E、如判定出的当前飞行状态属于遥控信号丢失的故障状态，即遥控及伺服信号监控装置在设定的最大采集时间内，未采集到一路或多路遥控信号；伺服信号的遥控及伺服信号监控装置则查询航迹数据库中前一段的飞行状态；如前三个控制周期内（一个控制周期的时间通常为2-20ms）。的飞行状态不是朝着同一方向飞行，则启动迫降模式：即向四个电子调速器输出垂直降落的伺服信号，使四旋翼飞行器垂直降落；如前三个控制周期内的飞行状态均是朝着同一方向飞行，则启动返航模式：即向四个电子调速器输出反方向飞行的伺服信号，使四旋翼飞行器返航；在返航三秒后，遥控及伺服信号监控装置如仍判定出当前飞行状态属于遥控信号丢失的故障状态，则启动迫降模式；否则，恢复四旋翼飞行器的正常遥控飞行；

F、如判定出的当前飞行状态属于伺服信号丢失的故障状态，即遥控及伺服信号监控装置在设定的最大采集时间内（设定的最大采集时间通常为2-20ms），只采集到三路伺服信号；遥控及伺服信号监控装置则根据当前的四路遥控信号以及采集到的三路伺服信号，在航迹数据库中找出最匹配的未采集到的伺服信号的值替换该路伺服信号，据以控制四个旋翼的电机的转速，实现四旋翼飞行器的遥控飞行；如持续七秒后飞行状态仍处于伺服信号丢失的故障状态，则启动迫降模式：即向四个电子调速器输出垂直降落的伺服信号，使四旋翼飞行器垂直降落；否则，恢复四旋翼飞行器的正常遥控飞行。

Claims (1)

1.一种四旋翼飞行器的遥控和伺服信号的监控方法，其作法是：

飞行控制器（3）的四路伺服信号不直接发给四个电子调速器（4）、而是先送遥控及伺服信号监控装置（1）分析处理；遥控器（2）发送给飞行控制器（3）的四路遥控信号也同步送遥控及伺服信号监控装置（1）进行分析处理；遥控及伺服信号监控装置（1）对四路伺服信号及四路遥控信号进行分析处理的具体操作是：

A、对当前的四路伺服信号和四路遥控信号进行计算、判定出四旋翼飞行器的当前飞行状态，并根据当前飞行状态进行以下B-F步的控制操作；同时将判定出的飞行状态和当前的四路伺服信号和四路遥控信号对应记录在航迹数据库中；

B、如判定出的当前飞行状态不属于以下C-F步骤中的任何一种故障状态，则遥控及伺服信号监控装置直接将当前的四路伺服信号传送给相应的四个电子调速器（4），四个电子调速器（4）据以控制四个旋翼的电机的转速，实现四旋翼飞行器的正常遥控飞行；

C、如判定出的当前飞行状态属于伺服信号脉宽过窄的故障状态，即遥控及伺服信号监控装置采集到的当前伺服信号的脉宽小于设定的相对于前次脉宽的最小变化值；则当前输出给对应电子调速器（4）的该路伺服信号的脉宽为设定的前次脉宽的最小变化值；从而实现四旋翼飞行器的伺服脉宽过窄的校正遥控飞行；

D、如判定出的当前飞行状态属于伺服信号脉宽过宽的故障状态，即遥控及伺服信号监控装置采集到的当前伺服信号的脉宽大于设定的相对于前次脉宽的最大变化值；则当前输出给对应电子调速器（4）的该路伺服信号的脉宽为设定的相对于前次脉宽的最大变化值；实现四旋翼飞行器的伺服脉宽过宽的校正遥控飞行；

E、如判定出的当前飞行状态属于遥控信号丢失的故障状态，即遥控及伺服信号监控装置在设定的最大采集时间内，未采集到一路或多路遥控信号；伺服信号的遥控及伺服信号监控装置则查询航迹数据库中前一段的飞行状态；如前三个控制周期内的飞行状态不是朝着同一方向飞行，则启动迫降模式：即向四个电子调速器输出垂直降落的伺服信号，使四旋翼飞行器垂直降落；如前三个控制周期内的飞行状态均是朝着同一方向飞行，则启动返航模式：即向四个电子调速器输出反方向飞行的伺服信号，使四旋翼飞行器返航；在返航三秒后，遥控及伺服信号监控装置如仍判定出当前飞行状态属于遥控信号丢失的故障状态，则启动迫降模式；否则，恢复四旋翼飞行器的正常遥控飞行；

F、如判定出的当前飞行状态属于伺服信号丢失的故障状态，即遥控及伺服信号监控装置在设定的最大采集时间内，只采集到三路伺服信号；遥控及伺服信号监控装置则根据当前的四路遥控信号以及采集到的三路伺服信号，在航迹数据库中找出最匹配的未采集到的伺服信号的值替换该路伺服信号，据以控制四个旋翼的电机的转速，实现四旋翼飞行器的遥控飞行；如持续七秒后飞行状态仍处于伺服信号丢失的故障状态，则启动迫降模式：即向四个电子调速器输出垂直降落的伺服信号，使四旋翼飞行器垂直降落；否则，恢复四旋翼飞行器的正常遥控飞行。