CN106155077A - 一种四旋翼飞行器控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种四旋翼飞行器控制系统及控制方法，其技术要点是：该控制系统包括主控制器和分别与其相连的运动姿态传感器模块、电源驱动模块、遥控接收模块、接口及扩展模块，所述运动姿态传感器模块包括惯性测量模块、超声波模块及红外探测模块。该控制方法为：主控制器通过运动姿态传感器模块进行数据采集，再定时读取遥控接收模块传来的数据，将所获得的遥控信号和检测数据做比较，计算出偏差，如四周没有障碍物，通过PID控制得到电机控制量并正常起飞。本发明可将飞行器的当前姿态与目标姿态进行对比，可根据运动姿态传感器模块的检测数据计算出当前姿态与目标姿态的差值，然后调整电机输出量，控制电机的转速，使其接近目标姿态。

Description

一种四旋翼飞行器控制系统及控制方法

技术领域：

本发明涉及飞行器领域，具体涉及一种四旋翼飞行器控制系统及控制方法。

背景技术：

资源紧缺是世界各国共同面对的难题，每年都会投入大量的人力、物力和财力。在能源勘测过程中，经常会遇到各种复杂的地势，如干旱的沙漠、充满瘴气的森林，浩瀚的海洋，有些地方允许人类探寻，但是有许多地方很难允许工作人员前往[1]。考虑这一限制，科研人员研发各种探测器代替工作人员，完成探测工作。

四旋翼是一种常见的多旋翼飞行器。该飞行器体积小，灵活稳定，具有一定的载重能力和续航能力，可以搭载摄像设备进行航空拍摄或者对火灾和犯罪现场进行监控；携带勘察设备对某些区域的地势或环境进行勘察等。四旋翼飞行器是通过改变电机转速来改变旋翼转速，进而改变升力，控制飞行器的飞行姿态和移动方式的，这种操作方式会导致其动力不稳，所以需要研究出一种能够长期确保飞行动力稳定的控制系统和控制方法。

发明内容：

本发明提供了一种四旋翼飞行器控制系统及控制方法，其可合成正确的飞行姿态数据，可得到稳定的姿态算法，可确保飞行动力的稳定。

本发明的四旋翼飞行器控制系统，采用的技术方案在于：包括主控制器和分别与其相连的运动姿态传感器模块、电源驱动模块、遥控接收模块、接口及扩展模块，所述运动姿态传感器模块包括惯性测量模块、超声波模块及红外探测模块。

作为本控制系统的进一步改进，所述惯性测量模块包括加速度仪和分布于三个轴向的三个单自由度的陀螺仪。

本发明的四旋翼飞行器控制方法，采用的技术方案在于：主控制器通过运动姿态传感器模块进行数据采集，再定时读取遥控接收模块传来的数据，将所获得的遥控信号和检测数据做比较，计算出偏差，如四周没有障碍物，通过PID控制得到电机控制量并正常起飞。

作为本控制方法的进一步改进，其主要包括以下步骤：

一、主控制器通过运动姿态传感器模块进行信号检测，判断是否有遥控接收模块的启动信号；

二、主控制器接收到启动信号后，判断周围是否有障碍物；

三、若有障碍物，则通过主控制器判断障碍物的方位并发出躲避障碍控制信号，之后再读取姿态传感器模块的检测信号；若无障碍物，则通过主控制器读取控制信号，再读取姿态传感器模块的检测信号；

四、主控制器根据姿态传感器模块的检测信号来将当前姿态与目标姿态进行对比，之后计算出飞行器的飞行姿态。

本发明的有益效果是：本发明可将飞行器的当前姿态与目标姿态进行对比，实现闭环控制，可根据运动姿态传感器模块的检测数据计算出当前姿态与目标姿态的差值，然后调整电机输出量，控制电机的转速，使其接近目标姿态，通过本发明的控制系统和控制方法可合成正确的飞行姿态数据，可得到稳定的姿态算法，可确保飞行动力的稳定。

附图说明：

图1为本发明的控制系统的电路原理图；

图2为本发明的控制方法的流程图。

具体实施方式：

参照图1，本发明的四旋翼飞行器控制系统，包括主控制器和分别与其相连的运动姿态传感器模块、电源驱动模块、遥控接收模块、接口及扩展模块，所述运动姿态传感器模块包括惯性测量模块、超声波模块及红外探测模块，所述惯性测量模块包括加速度仪和分布于三个轴向的三个单自由度的陀螺仪。

参照图2，本发明的四旋翼飞行器控制方法，主控制器通过运动姿态传感器模块进行数据采集，再定时读取遥控接收模块传来的数据，将所获得的遥控信号和检测数据做比较，计算出偏差，如四周没有障碍物，通过PID控制得到电机控制量并正常起飞。

其主要包括以下步骤：

一、主控制器通过运动姿态传感器模块进行信号检测，判断是否有遥控接收模块的启动信号；

二、主控制器接收到启动信号后，判断周围是否有障碍物；

三、若有障碍物，则通过主控制器判断障碍物的方位并发出躲避障碍控制信号，之后再读取姿态传感器模块的检测信号；若无障碍物，则通过主控制器读取控制信号，再读取姿态传感器模块的检测信号；

四、主控制器根据姿态传感器模块的检测信号来将当前姿态与目标姿态进行对比，之后计算出飞行器的飞行姿态。

对于飞行姿态检测和飞行姿态的控制：对四旋翼飞行器进行姿态控制，首先需要解决的是姿态检测，只有检测到飞行器的姿态方能对其进行控制。现在普遍常用的是通过惯性导航技术来检测飞行姿态。惯性导航系统通常由惯性测量模块、计算机和控制显示单元组成。惯性测量模块包含加速度仪和分布于三个轴向的三个单自由度的陀螺仪。

惯性导航系统的工作原理是：以牛顿力学定律作为理论基础，利用陀螺仪建立空间坐标基准，即导航坐标系，再利用加速度仪测量载体的运动加速度，将运动加速度转化到导航坐标系后，经过两次积分运算，最终确定出载体的位置和速度等运动参数。惯性导航系统按安装方式分类分为平台式惯性导航系统与捷联式惯性导航系统。平台式惯性导航系统是将惯性测量模块固定在机电导航平台上，可以相对于重力加速度和地球自转角速度进行任意定向测试。导航平台用来模拟导航坐标系，把加速度仪的测量稳定在导航坐标系中，使其能直接测量载体在导航坐标系轴向的加速度，这样就可以用几何的方法从平台的框架上直接获取载体的姿态和航向信息。该系统测量精度较高，方便对惯性器件的测量进行补偿和修正，但系统结构复杂、成本高、体积大使用范围受到很大限制。然而，捷联式惯性导航系统抛弃了复杂的机电导航平台，将加速度仪和陀螺仪直接固定在载体上，在计算机中直接对姿态矩阵进行计算，即通过姿态矩阵将加速度仪测得的加速度信息变换到导航坐标系，再求得载体的姿态和航向信息。在捷联式惯性导航系统中，电气导航平台的功能更多地依靠计算机来完成，简化运算，便于信息存储和分析。直到1994年捷联式惯性导航系统市场占有率约有百分之九十。

Claims (4)

1.一种四旋翼飞行器控制系统，其特征在于：包括主控制器和分别与其相连的运动姿态传感器模块、电源驱动模块、遥控接收模块、接口及扩展模块，所述运动姿态传感器模块包括惯性测量模块、超声波模块及红外探测模块。

2.如权利要求1所述的一种四旋翼飞行器控制系统，其特征在于：所述惯性测量模块包括加速度仪和分布于三个轴向的三个单自由度的陀螺仪。

3.一种四旋翼飞行器控制方法，其特征在于：主控制器通过运动姿态传感器模块进行数据采集，再定时读取遥控接收模块传来的数据，将所获得的遥控信号和检测数据做比较，计算出偏差，如四周没有障碍物，通过PID控制得到电机控制量并正常起飞。

4.如权利要求3所述的一种四旋翼飞行器控制方法，其特征在于主要包括以下步骤：

一、主控制器通过运动姿态传感器模块进行信号检测，判断是否有遥控接收模块的启动信号；

二、主控制器接收到启动信号后，判断周围是否有障碍物；

三、若有障碍物，则通过主控制器判断障碍物的方位并发出躲避障碍控制信号，之后再读取姿态传感器模块的检测信号；若无障碍物，则通过主控制器读取控制信号，再读取姿态传感器模块的检测信号；

四、主控制器根据姿态传感器模块的检测信号来将当前姿态与目标姿态进行对比，之后计算出飞行器的飞行姿态。