CN106155075B - 一种可分离式无人机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可分离式无人机控制系统，包括主控模块，电源管理模块，三轴陀螺仪传感器，三轴加速度传感器，磁场传感器，气压传感器，外置存储模块，GPS接收模块，视觉模块，接收机模块，通信模块；在无人机分离前，位于两翼的飞行控制系统的配合模式为主从控制模式，在无人机分离后，位于两翼的飞行控制系统的配合模式为协同控制模式。本发明不仅能满足无人机稳定飞行、安全可靠等一般要求，而且为分离后实现协同提供良好的硬件基础，方便实现可分离式无人机追踪、捕获、拦截等复杂任务。

Description

一种可分离式无人机控制系统

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，具体地，涉及一种可分离式无人机控制系统。

背景技术

现有的控制系统绝大部分还只是保证单个无人机能够平稳飞行，而可分离式无人机与常规的无人机不同，它除了需要平稳飞行外，需要在特定的某些情况下(如发现不明飞行目标)自身分离，分离后为了完成相应的任务，无人机必须实现协同。无人机要实现协同，需要考虑的因素有很多，比如任务环境复杂性、通信约束的复杂性和计算复杂度，单就计算复杂度而言，现有的单核控制系统的计算速度和效率还不足以满足可分离式无人机的功能要求。

经检索，中国专利申请号201410596191.2，申请日为2014年10月30日，发明专利名称为：一种无人机控制系统，该发明包括电源模块、陀螺仪、加速度计、RC接收机、辅助模块、飞控计算机、电子调速器、无刷电机，电源模块与陀螺仪、加速度计、RC接收机、辅助模块的电源输入端相连；电源模块还与飞控计算机的电源输入端相连；飞控计算机与电子调速器相连，电子调速器与无刷电机相连。可以看出，该发明仅是常见的无人机控制系统，其在数据运算方面的性能一般，很难完成对于数据量大的运算，几乎不可能实现可分离式无人机的协同控制。

中国专利申请号201210441097.0，申请日为2012年11月7日，发明专利名称为：一种基于CAN总线的无人机飞行控制系统，该发明公开了一种基于CAN总线的无人机飞行控制系统，包括主控芯片、转换控制芯片和传感器单元；传感器单元包括分别用于采集姿态、磁航向、高度、缸温和排气温度、转速、位置和速度信息的姿态传感器、磁传感器、气压高度计、温度传感器、转速传感器和GPS接收模块；转换控制芯片对输入的无人机发动机的转速信息，以及无人机发动机的缸温和排气温度进行转换后，将已转换信息通过CAN总线传输给主控芯片；主控芯片根据传感器单元采集的信息对无人机飞行控制进行运算，转换控制芯片根据主控芯片输出的控制策略信息输出舵机控制信号。可以看出该发明仅是在一般常见的无人机控制系统上通过CAN总线扩展了舵机的控制模块，只是提高了该飞行控制系统的扩展性而并未提升系统在控制逻辑和数据运算方面的性能，很难满足对可分离式无人机进行协同控制的要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是利用ARM在实现复杂算法和控制逻辑上的灵活性和FPGA在控制复杂度低、数据量大的运算上的优势，提供一种基于ARM与FPGA结合的可分离式无人机控制系统，能充分满足可分离式无人机的实现协同、追踪及捕获功能要求。

为实现以上目的，本发明提供一种可分离式无人机控制系统，包括相同的两飞行控制系统，分别位于可分离式无人机的两分离部，两分离部在分离后即为两独立无人机，在可分离式无人机分离前两飞行控制系统为主从控制模式，在可分离式无人机后两飞行控制系统为协同控制模式；

所述飞行控制系统，包括：主控模块、惯性测量单元、气压传感器、外置存储模块、GPS接收模块、视觉模块和接收机模块；

所述主控模块由ARM处理器和FPGA构成，ARM完成飞行控制系统的姿态解算和控制算法功能；FPGA与视觉模块连接，用于完成目标识别和跟踪，并将目标的速度、与无人机的位置信息传递给ARM处理器；

所述惯性测量单元，用于确定无人机的姿态，并测量无人机相对磁场的航向；

所述气压传感器，将测量的环境气压数据发送给ARM处理器，ARM处理器进行解算确定无人机的海拔高度；

所述外置存储模块，用于保存无人机飞行过程中的姿态和位置信息，方便离线分析无人机飞行数据，调整参数；

所述GPS模块将测量数据发送给ARM处理器，ARM处理器进行解算确定无人机的空间位置信息和速度信息；

所述视觉模块在可分离式无人机控制系统整个控制过程中，将图像信息发送给FPGA，FPGA根据图像信息识别空中飞行物体，同时解算出目标相对无人机本身的位置及速度信息，用于引导无人机对目标进行追踪；

接收机模块用于在人工模式下接收遥控器的命令，通知本机飞行控制系统完成命令对应的动作。

进一步的，在所述可分离式无人机的两分离部分离前，位于可分离式无人机的两分离部的飞行控制系统的配合模式为主从控制模式，记为主飞行控制系统、从飞行控制系统；其中：主飞行控制系统通过有线或无线通信模块给从飞行控制系统传输所在一侧电机的控制信号，从飞行控制系统接收到该控制信号进过计算后给电调提供PWM，再由电调根据PWM信号控制电机的转向和转速；从飞行控制系统中惯性测量单元提供角速度和加速度及飞机航向数据，GPS提供位置和速度数据，从飞行控制系统将以上数据通过无线通信模块传输给主飞行控制系统形成反馈，从而在可分离式无人机飞行之前，主飞行控制系统同时控制可分离式无人机的飞行部件，从飞行控制系统配合主飞行控制系统反馈当前状态信号同时接收主飞行控制系统的控制信号。

进一步的，在所述可分离式无人机的两分离部分离后，位于可分离式无人机的两分离部的飞行控制系统的配合模式为协同控制模式，主飞行控制系统和从飞行控制系统均独立在各自所在的分离部平稳飞行，同时主飞行控制系统与从飞行控制系统之间相互传递包括位置及速度在内的信息，并基于上述信息主飞行控制系统和从飞行控制系统执行设计好的协同算法，使得分离后的两独立无人机能够保持一定间距，并协同飞行。

进一步的，当所述可分离式无人机用于捕获飞行目标时，主飞行控制系统和从飞行控制系统通过视觉模块在近距离内起视觉导航作用，对飞行目标进行视觉跟踪。

进一步的，所述惯性测量单元包括陀螺仪传感器、加速度传感器和磁场传感器，所述陀螺仪传感器、加速度传感器获取无人机的角速度和加速度，用于确定无人机的姿态；所述磁场传感器用于获取飞机航向数据，测量无人机相对磁场的航向。

控制器采用ARM和FPGA组合的方案

实际工作中，ARM控制器、FPGA双目视觉避障和测量模块以及周边传感器、数据存储单元、GPS单元等同时工作，相互通讯。ARM融合前述的包括姿态、位置、高度、相对飞行目标的距离目标的速度等信息，通过控制算法，实现对可分离式无人机的飞行控制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)本发明除了能实现现有一般无人机控制系统的所有功能外，还能够对可分离式的无人机进行协同控制，完成在一般无人机控制系统下不能完成的协同任务；

2)本发明基于ARM+FPGA的架构，能够进行大数据的运算，而且实时性好，效率高，控制灵活，能及时提供有用信息。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的结构框图；

图2为本发明一实施例的主从控制模式示意图；

图3为本发明一实施例的协同控制模式示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种可分离式无人机控制系统，包括相同的两飞行控制系统，分别位于分离式无人机的两分离部，当两分离部未分离前，其中一飞行控制系统为主控系统，另外一飞行控制系统为辅助控制系统，两套系统同时工作；当两分离部分离，原来的无人机分离成两个单独飞行的单翼无人机，此时，两飞行控制系统在物理上分离，通过有线或者无线方式相互通讯，协调工作，完成协同飞行。

每个所述飞行控制系统，包括：主控模块、惯性测量单元、气压传感器、外置存储模块、GPS接收模块、视觉模块和接收机模块；

所述主控模块由ARM处理器和FPGA构成，ARM完成飞行控制系统的姿态解算和控制算法功能；FPGA与视觉模块连接，用于完成目标识别和跟踪，并将目标的速度、与无人机的位置信息传递给ARM处理器；

所述惯性测量单元，用于确定无人机的姿态，并测量无人机相对磁场的航向；

所述气压传感器将环境气压的测量数据发送给ARM处理器，ARM处理器进行解算确定无人机的海拔高度；

所述外置存储模块，用于保存无人机飞行过程中的姿态和位置信息，方便离线分析无人机飞行数据，调整参数；

GPS模块将测量数据发送给ARM处理器，ARM处理器进行解算确定无人机的空间位置信息和速度信息；

视觉模块将图像信息发送给FPGA，FPGA根据图像信息识别空中飞行物体，同时解算出目标相对无人机本身的位置及速度信息，用于引导无人机对目标进行追踪；

接收机模块用于在人工模式下接收遥控器的命令，通知本机飞行控制系统完成命令对应的动作。

本发明上述的可分离式无人机的两分离部，两分离部在分离后即为两独立无人机，在可分离式无人机分离前两飞行控制系统为主从控制模式，在可分离式无人机后两飞行控制系统为协同控制模式。

进一步的，所述飞行控制系统还可以进一步包括电源管理模块，所述电源管理模块用于给控制器、传感器和其他电路模块供电。

进一步的，所述飞行控制系统还可以进一步无线通信模块，用于无人机间传递姿态、相对飞行目标的距离、自身位置、速度数据。

进一步的，所述惯性测量单元包括陀螺仪传感器、加速度传感器和磁场传感器，所述陀螺仪传感器、加速度传感器获取无人机的角速度和加速度，用于确定无人机的姿态；所述磁场传感器用于获取飞机航向数据，测量无人机相对磁场的航向。更优选地，陀螺仪传感器为三轴陀螺仪传感器，但不限于三轴陀螺仪传感器，可以为多个高精度单轴陀螺仪的组合；加速度传感器为三轴加速度传感器，但不限于三轴加速度传感器，以为多个高精度单轴加速度传感器的组合。

所述主控模块采用ARM+FPGA方案，其中：ARM完成飞行控制系统的姿态解算和控制算法等功能。FPGA与视觉模块连接，用于完成目标识别和跟踪，并将目标的速度、与无人机的位置等信息通过通信接口，如SPI接口传递给ARM；

在无人机分离前，位于两翼的飞行控制系统的配合模式为主从控制模式，记：主飞行控制系统为A、从飞行控制系统为B；如图2所示，主飞行控制系统A通过无线通信模块给从飞行控制系统B传输电机的控制信号，从飞行控制系统B接收到该控制信号后，给电调产生PPM信号，再由电调产生PWM信号控制无刷电机的转向和转速；从飞行控制系统B中由三轴陀螺仪传感器、三轴加速度传感器和磁场传感器组成的惯性测量单元提供角速度和加速度及飞机航向数据，GPS提供位置和速度数据，从飞行控制系统B将以上数据通过无线通信模块传输给主飞行控制系统A形成反馈，这样在可分离式无人机飞行之前，主飞行控制系统A同时可以控制两翼的四只螺旋桨，从飞行控制系统B配合主飞行控制系统A反馈当前状态信号同时接收主飞行控制系统A的控制信号；

在无人机分离后，位于两翼的飞行控制系统的配合模式为协同控制模式；如图3所示，相对于分离前的主从控制模式，主飞行控制系统A和从飞行控制系统B均能独立所在的单翼平稳飞行，同时主飞行控制系统A与从飞行控制系统B之间通过无线传输模块相互传递包括位置及速度在内的信息；并基于以上信息主飞行控制系统A和从飞行控制系统B就可以进行执行设计好的协同算法，使得分离后的两个无人机能够保持一定间距，并协同飞行；当该无人机用于捕获飞行目标时，主飞行控制系统A和从飞行控制系统B通过视觉模块可以在近距离内起视觉导航作用，对飞行目标进行视觉跟踪。

ARM处理器接收惯性测量单元的数据，进行姿态解算，同时接收由GPS模块提供的位置信息，气压传感器的高度信息，而通信模块用于可分离式无人机间传递姿态、相对飞行目标的距离、自身位置、速度的数据，电源管理模块给包括上述传感器、通信模块在内的整个无人机控制系统供电。FPGA与视觉模块连接，用于完成目标识别和跟踪，并将目标的速度、与无人机的位置等信息通过通信接口传递给ARM处理器。

本发明针对可分离式无人机可分离、张网等特点设计定制化的可分离式无人机控制系统，不仅能满足无人机稳定飞行、安全可靠等一般要求，而且为分离后实现协同提供良好的硬件基础，方便实现可分离式无人机追踪、捕获、拦截等复杂任务。

当有外部地面站支撑时，地面站可以将激光/光学雷达等获得的目标位置信息和可分离式无人机的位置信息等，利用无线传输方式传递给飞行控制系统，帮助分离式无人机修正飞控数据，为其提供工作辅助。当无线传输存在困难的情况下，也可仅依赖起飞时装订的目标数据，结合双目视觉单元，捕获目标。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要强调的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种可分离式无人机控制系统，其特征在于，包括相同的两飞行控制系统，分别位于可分离式无人机的两分离部，两分离部在分离后即为两独立无人机，在可分离式无人机分离前两飞行控制系统为主从控制模式，在可分离式无人机分离后两飞行控制系统为协同控制模式；

所述飞行控制系统，包括：主控模块、惯性测量单元、气压传感器、外置存储模块、GPS接收模块、视觉模块和接收机模块；

所述主控模块由ARM处理器和FPGA构成，ARM完成飞行控制系统的姿态解算和控制算法功能；FPGA与视觉模块连接，用于完成目标识别和跟踪，并将目标的速度、与无人机的位置信息传递给ARM处理器；

所述惯性测量单元，用于确定无人机的姿态，并测量无人机相对磁场的航向；

所述气压传感器，将测量的环境气压数据发送给ARM处理器，ARM处理器进行解算确定无人机的海拔高度；

所述外置存储模块，用于保存无人机飞行过程中的姿态和位置信息，方便离线分析无人机飞行数据，调整参数；

所述GPS模块，将测量数据发送给ARM处理器，ARM处理器进行解算确定无人机的空间位置信息和速度信息；

所述视觉模块，在可分离式无人机控制系统整个控制过程中，将图像信息发送给FPGA，FPGA根据图像信息识别空中飞行物体，同时解算出目标相对无人机本身的位置及速度信息，用于引导无人机对目标进行追踪；

接收机模块，用于在人工模式下接收遥控器的命令，通知本机飞行控制系统完成命令对应的动作。

2.根据权利要求1所述的一种可分离式无人机控制系统，其特征在于，在所述可分离式无人机的两分离部分离前，位于可分离式无人机的两分离部的飞行控制系统的配合模式为主从控制模式，记为主飞行控制系统、从飞行控制系统；其中：主飞行控制系统给从飞行控制系统传输所在分离部电机的控制信号，从飞行控制系统接收到该控制信号进过计算后给电调提供PWM信号，再由电调根据PWM信号控制电机的转向和转速；从飞行控制系统中惯性测量单元提供角速度和加速度及飞机航向数据，GPS提供位置和速度数据，从飞行控制系统将以上数据传输给主飞行控制系统形成反馈，从而在可分离式无人机飞行之前，主飞行控制系统同时控制可分离式无人机的飞行部件，从飞行控制系统配合主飞行控制系统反馈当前状态信号同时接收主飞行控制系统的控制信号。

3.根据权利要求2所述的一种可分离式无人机控制系统，其特征在于，在所述可分离式无人机的两分离部分离后，位于可分离式无人机的两分离部的飞行控制系统的配合模式为协同控制模式，主飞行控制系统和从飞行控制系统均独立在各自所在的分离部平稳飞行，同时主飞行控制系统与从飞行控制系统之间相互传递包括位置及速度在内的信息，并基于上述信息主飞行控制系统和从飞行控制系统执行设计好的协同算法，使得分离后的两独立无人机能够保持一定间距，并协同飞行。

4.根据权利要求3所述的一种可分离式无人机控制系统，其特征在于，当所述可分离式无人机用于捕获飞行目标时，主飞行控制系统和从飞行控制系统通过视觉模块在近距离内起视觉导航作用，对飞行目标进行视觉跟踪。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种可分离式无人机控制系统，其特征在于，所述惯性测量单元包括陀螺仪传感器、加速度传感器和磁场传感器，所述陀螺仪传感器、加速度传感器获取无人机的角速度和加速度，用于确定无人机的姿态；所述磁场传感器用于获取飞机航向数据，测量无人机相对磁场的航向。

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