CN105068544B - 一种基于安卓手机和外部传感器的无人机飞行控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于安卓手机和外部传感器的无人机飞行控制系统，包括固定于无人机中且依次连接的为安卓操作系统的智能手机、传感伺服控制器和飞行器执行机构；安卓操作系统的智能手机内安装有飞行控制程序；智能手机内设置有：陀螺仪、加速度计、GPS和磁场传感器；通过将智能手机内部传感器与传感伺服控制器提供的外部辅助传感器相结合，计算获得飞行器准确的姿态、位置信息，由智能手机内部的飞行控制程序进行运算获取初步控制指令，发送到传感伺服控制器进一步处理，进而驱动飞行器的执行机构，实现飞行器的稳定控制。系统可调用手机的摄像头拍摄照片和视频，并通过3G/4G/wifi网络实时远程传输。本系统操作简单，稳定性好，适用于大面积推广和使用。

Description

一种基于安卓手机和外部传感器的无人机飞行控制系统

技术领域

本发明属于无人机飞行控制领域，涉及一种基于安卓手机和外部传感器的无人机飞行控制系统。

背景技术

无人机飞行控制系统需搭载加速度计、陀螺仪、气压计、GPS、磁力计等多种传感器，从而感知飞行器的运动状态，实现飞行器的稳定控制。目前基于智能手机的飞行控制系统方案，利用手机搭载的传感器和运算单元，实现无人飞行器的导航、控制功能。然而，智能手机搭载的传感器受成本、用途等限制，常常缺少无人机飞行控制系统所需的某一种或多种传感器；即便搭载了某种传感器，其传感精度或采样频率往往较低，因此完全基于智能手机自身传感器的飞行控制系统的控制效果较差。此外，安卓操作系统启动或关闭拍照任务会消耗大量的系统资源，会引起传感器采样频率急剧下降，引发飞行器姿态剧烈抖动，在极端情况下甚至引发坠机。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种基于安卓手机和外部传感器的无人机飞行控制系统，具有节约系统资源，稳定性高，易于控制的优点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：包括依次连接的：固定于无人机中且为安卓操作系统的智能手机、传感伺服控制器和飞行器执行机构；

所述的安卓操作系统的智能手机内安装有飞行控制程序；

所述的智能手机内设置有：陀螺仪、加速度计、GPS和磁场传感器；

所述的传感伺服控制器内设置有：陀螺仪、加速度计、气压计、磁场传感器等外部辅助传感器、GPS、定时器和AD采样器；

所述的传感伺服控制器中设置有连接至无人机飞行器执行机构的PWM生成定时器。

所述的安卓操作系统的智能手机与飞行器之间设置有减震装置。

所述的传感伺服控制器中的定时器包括：PWM捕获定时器和PWM生成定时器。

所述的智能手机与传感伺服控制器之间的数据连接方式为USB连接或蓝牙连接。

所述的安卓操作系统的智能手机中设置有能够调用的前后摄像头，并通过3G/4G/wifi网络实时远程传输照片或视频。

所述的飞行控制程序的运行频率为90Hz～520Hz。

传感伺服控制器由智能手机usb口供电。

所述智能手机安装时屏幕与水平面垂直。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明由于包括：固定于无人机中且依次连接的为安卓操作系统的智能手机、传感伺服控制器和飞行器执行机构；安卓操作系统的智能手机内安装有飞行控制程序；智能手机内设置有：陀螺仪、加速度计、GPS和磁场传感器；传感伺服控制器内设置有：陀螺仪、加速度计、气压计、磁场传感器等外部辅助传感器、GPS、定时器和AD采样器；传感伺服控制器中设置有连接至无人机飞行器执行机构的PWM生成定时器。从而通过智能手机中的陀螺仪、加速度计、GPS和磁场传感器实时获得无人机的姿态及飞行数据，且由于无人机的飞行程序，通过将智能手机内部传感器与传感伺服控制器提供的外部辅助传感器相结合，计算获得飞行器准确的姿态、位置信息，由智能手机内部的飞行控制程序进行运算获取初步控制指令，发送到传感伺服控制器进一步处理，进而驱动飞行器的执行机构，实现飞行器的稳定控制。本系统操作简单，稳定性好，适用于大面积推广和使用。

进一步的，由于智能手机与传感伺服控制器之间的数据连接方式为USB连接或蓝牙连接，从而保证了数据传输的稳定性和精确性。

进一步的，由于安卓操作系统的智能手机中设置有能够调用的前后摄像头，并通过3G/4G/wifi网络实时传输，使实时图像不只局限于操纵者本人观看。

进一步的，由于飞行控制程序的运行频率为90Hz～520Hz，从而能够使得控制效果更好，更加稳定。

进一步的，智能手机安放时屏幕垂直于水平面，可向用户显示飞行参数或其他信息。使得操纵者更好的了解无人机的动态，更加有利于操纵。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明流程图；

具体实施方式

本发明采用外部传感器对智能手机内部的传感器进行补充和优化，从而获取更好的传感信息，使得基于智能手机的飞行控制系统具备更好的控制效果。同时，采用有效的任务调度机制，使飞行器拍摄照片、视频时仍然保持稳定的飞行。

飞行控制系统，通过将手机内部传感器与传感伺服控制器提供的外部辅助传感器相结合，计算获得飞行器准确的姿态、位置信息，由智能手机内部的飞行控制程序进行运算获取初步控制指令，经由usb口或蓝牙接口发送到传感伺服控制器，进而驱动飞行器的执行机构进一步处理后，实现飞行器的稳定控制。本发明中，经实验测定，当控制程序运行频率在90Hz至520Hz之间时，有最好的控制效果。

所述的智能手机，搭载加速度计、陀螺仪等无人机飞行控制所必须的部分传感器，配备触摸屏幕作为飞行控制系统与用户交互的界面之一。智能手机在本发明的飞行控制系统中起主要的传感、计算、人机交互等作用。

所述的传感伺服控制器，搭载部分无人机飞行控制系统所需的传感器，作为对智能手机上未装备的传感器的补充，或对智能手机上搭载了但精度不足的传感器提供更高精度的优化。此外，传感伺服控制器通过USB或蓝牙方式与智能手机实现数据连接，一方面将其搭载的传感器的实时数据发送给智能手机，用于飞行控制指令的计算；另一方面，接收智能手机发送来的飞行控制计算结果，经进一步处理后，生成最终控制指令，发送给飞行器的执行机构。

智能手机内有飞行控制所需的部分传感器(例如陀螺仪、加速度计等)，通过获取传感伺服控制器发送来的补充传感器数据，经过与手机自带的运动状态估计程序，将传感器数据组合、融合后，经过滤波、微分、积分等运算处理，最终获得飞行器的运动状态的估计值。通过将解算得到的运动状态与期望运动状态对比，采用PID或其他控制算法，获取初步的控制指令。这里，期望运动状态为飞行器接收到的操纵者的指令状态，或飞行器在自动执行任务时为满足任务需求而由程序计算得出的目标状态。通过获取运动状态向量与期望运动状态向量相减获取两者的偏差，对此偏差进行微分、积分和增益运算后，将此三者经线性或非线性组合，生成初步的控制指令。

初步控制指令由usb接口或蓝牙接口发送给传感伺服控制器。传感伺服控制器对从智能手机接收到的初步控制指令进行进一步处理，然后将处理结果通过PWM生成定时器生成飞行器执行机构可辨识的控制信号，进而发出控制指令。

飞行器执行机构在接收到控制指令后，偏转舵面或改变螺旋桨转速或改变桨距，从而改变飞行器的运动状态，达到期望的飞行状态。

安卓操作系统的智能手机中设置有能够调用的前后摄像头，并通过3G/4G/wifi网络实时远程传输照片或视频。飞行控制程序的运行频率为90Hz～520Hz。传感伺服控制器由智能手机usb口供电。手机安放时屏幕垂直于地面，能够向在飞行过程中向用户显示飞行参数或其他信息。

因安卓系统为每一个应用分配有限的资源，当同一个应用同时执行两个或以上数目相当消耗系统资源的任务时，这些资源便会在时间维度上展开资源的争夺，可能导致某些任务间歇性停顿。这种情况也出现在了飞行控制应用程序中，在同一个应用内部，负责拍照摄像的进程与负责传感器数据采集的进程极易发生资源争夺。导致在利用手机前后摄像头航拍时，无人机会因传感器数据停止刷新而坠机。

本发明中将拍照摄像功能打包成插件。因飞行控制应用程序与插件在原理上属于两个不同的应用，因此安卓会平等地为它们分配足量的系统资源，进而保证了传感器数据采集与拍照摄像这两项任务同时无障碍运行。飞行控制应用程序与其拍照摄像插件通过安卓内部应用程序间的通信方案进行信息传递。由于两者间的信息传递非常快，采用此种方案的航拍体验非常流畅，同时不会出现因航拍造成传感器数据卡顿而造成的坠机现象。

所述的飞行器的执行机构，包括但不局限与飞行器的舵机与舵面、发动机与螺旋桨等多种形式。

以下结合系统结构图1，对本发明的系统组成结构进行详细说明。

本发明包括：固定于无人机中且依次连接的为安卓操作系统的智能手机、传感伺服控制器、执行机构、动力电源、减震装置；智能手机内设置有：触摸显示屏、陀螺仪、加速度计、GPS和磁场计、手机中央处理器、前后摄像头、3G/4G/wifi无线通讯模块、手机电池；传感伺服控制器内设置有：陀螺仪、加速度计、气压计、磁场传感器等外部辅助传感器、GPS、定时器和AD采样器；传感伺服控制器中设置有连接至无人机飞行器执行机构的PWM生成定时器。传感伺服控制器中的定时器包括：PWM捕获定时器和PWM生成定时器。智能手机与传感伺服控制器之间的数据连接方式为USB连接或蓝牙连接。安卓操作系统的智能手机与飞行器之间设置有减震装置。执行机构由动力电源供电，传感伺服控制器由手机电池供电。

作为优选，飞行控制系统可连接无线遥控设备。连接时，由传感伺服控制器连接遥控设备的接收机，由操纵者持遥控发射机遥控无人机。

以下结合流程图2，对本发明的运行的逻辑流程进行详细说明。

图2中位于中间的流程为飞行控制流程，左侧为拍照摄像流程，右侧为传感伺服控制流程。

本段说明飞行控制流程。系统在安卓智能手机端，由用户启动。用户在安卓智能手机端启动飞行控制程序后，等待用户发出起飞指令。此起飞指令由用户操作屏幕或由遥控器发出。待接收到起飞指令后，判断飞行器采用自主飞行模式或遥控飞行模式，判断依据为用户的设置或实时发出的指令。自主飞行模式下，无需用户的遥控信号，否则需从传感伺服控制器读取用户的遥控指令。此后，获取手机搭载的传感器信息，然后从传感伺服控制器获取外部的传感器信息，将此两者融合后，完成当前飞行器的姿态解算。接下来进行制导解算，具体为解算飞行器为完成飞行任务所需的目标姿态角。然后进行控制解算，具体为利用当前姿态角与目标姿态角的偏差，进行一系列的比例、积分、微分、限幅等线性或非线性运算后，生成初步控制指令。将此初步控制指令发送传感伺服控制器后，实时更新智能手机屏幕显示的状态信息，随后检测用户的终止飞行指令，若不终止飞行，继续循环计算，否则终止飞行。本发明中，飞行控制频率即此循环的运行频率，经实验测定当其为90至520Hz时，有最佳的控制效果。

本段说明传感伺服流程。当传感伺服控制器接收到安卓智能手机的启动指令后，启动传感伺服流程。首先捕获操纵者的遥控信号，采用传感伺服控制器搭载的pwm捕获控制器或串行端口等其他端口。然后将遥控指令信息经由USB或蓝牙发送给安卓手机上的飞行控制程序。然后获取传感伺服控制器上所搭载的传感器信息，包括加速度计、陀螺仪、磁传感器、气压计、GPS、AD转换器等一种或多种。然后等待接收由安卓智能手机发送的初步控制信号，并对其进行处理，发送执行机构驱动飞行器改变运动状态，最终实现飞行器的稳定控制。

本段说明拍照摄像流程。拍照摄像流程在系统启动后自动启动，与飞行控制流程相独立。当用户发出拍照摄像指令后，启动拍照摄像插件。拍照摄像插件是独立于飞行控制程序的另一个应用程序。执行拍照或摄像后，若需要实时传输，通过3G/4G/wifi网络将获得的多帧图像传输出去，以此往复循环，待收到停止拍照摄像指令后停止。

Claims (5)

1.一种基于安卓手机和外部传感器的无人机飞行控制系统，其特征在于，包括依次连接的：固定于无人机中且为安卓操作系统的智能手机、传感伺服控制器和飞行器执行机构；

所述的安卓操作系统的智能手机内安装有飞行控制程序；所述的飞行控制程序的运行频率为90Hz～520Hz；

所述的智能手机内设置有：陀螺仪、加速度计、GPS和磁场传感器；

所述的传感伺服控制器内设置有：陀螺仪、加速度计、气压计、磁场传感器外部辅助传感器、GPS、定时器和AD采样器；手机内部传感器与传感伺服控制器提供的外部辅助传感器相结合；所述的智能手机与传感伺服控制器之间的数据连接方式为USB连接或蓝牙连接；

所述的传感伺服控制器中设置有连接至无人机飞行器执行机构的PWM生成定时器；

所述的安卓操作系统的智能手机与飞行器之间设置有减震装置；

智能手机内有飞行控制所需的部分传感器，通过获取传感伺服控制器发送来的补充传感器数据，经过与手机自带的运动状态估计程序，将传感器数据组合、融合后，经过滤波、微分、积分等运算处理，最终获得飞行器的运动状态的估计值， 通过将解算得到的运动状态与期望运动状态对比，采用PID或其他控制算法，获取初步的控制指令， 这里，期望运动状态为飞行器接收到的操纵者的指令状态，或飞行器在自动执行任务时为满足任务需求而由程序计算得出的目标状态， 通过获取运动状态向量与期望运动状态向量相减获取两者的偏差，对此偏差进行微分、积分和增益运算后，将此三者经线性或非线性组合，生成初步的控制指令；

初步控制指令由usb接口或蓝牙接口发送给传感伺服控制器， 传感伺服控制器对从智能手机接收到的初步控制指令进行进一步处理，然后将处理结果通过PWM生成定时器生成飞行器执行机构可辨识的控制信号，进而发出控制指令；

飞行器执行机构在接收到控制指令后，偏转舵面或改变螺旋桨转速或改变桨距，从而改变飞行器的运动状态，达到期望的飞行状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于安卓手机和外部传感器的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述的传感伺服控制器中的定时器包括：PWM捕获定时器和PWM生成定时器。

3.根据权利要求1所述的一种基于安卓手机和外部传感器的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述的安卓操作系统的智能手机中设置有能够调用的前后摄像头，并通过3G/4G/wifi网络实时远程传输照片或视频。

4.根据权利要求1所述的一种基于安卓手机和外部传感器的无人机飞行控制系统，其特征在于：传感伺服控制器由智能手机usb口供电。

5.根据权利要求1所述的一种基于安卓手机和外部传感器的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述智能手机安装时屏幕与水平面垂直。