CN106249747A

CN106249747A - 智能化无人机系统

Info

Publication number: CN106249747A
Application number: CN201610681440.7A
Authority: CN
Inventors: 邹霞; 钟玲珑
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2016-12-21

Abstract

本发明提供了一种智能化无人机系统，主要包括机载控制系统（1）、地面控制设备（2）和导航系统（4），所述机载控制系统（1）由自动驾驶仪（3）、机载设备（5）、伺服机构（6）、机载电台（7）和接收机（8）构成，所述地面控制设备（2）包括地面电台（9）和遥控器（10），所述地面电台（9）与机载电台（7）通信连接。地面电台（9）与地面站（11）连接。本发明提供的智能化无人机系统及控制方法，采用了智能化的集成方式，实现了一体化操作，在纵向运动和横侧向运动方面，增加了考虑因素，不同的控制通道设计相应的控制方法，保证了控制的精度和操作便利性。

Description

智能化无人机系统

技术领域

本发明涉及一种智能化无人机系统，属于无人机领域。

背景技术

无人机（Unmaned Aerial Vehicle, UAV）是一种机上无人驾驶的、有动力驱动的、可重复使用的飞行器简称。与载人飞机相比较，它具有体积小、造价低、使用方便等优点，备受世界各国青睐，拥有广泛的民用和军事用途。无人机自驾仪是无人机的核心部分，承担着数据采集，通信，控制量计算，控制量输出等多重任务。无人机的先进程度在很大程度上体现在其自驾仪上。从总体情况来看，我国无人机在军事领域发展迅速，目前很多技术已经走在世界的前列，但是在民用方面，起步比较晚，应用还比较有限。但是最近几年，民用的小型无人机自动驾驶仪的研究有所增加，特别是高新技术企业，开始研制自己无人机自动驾驶仪产品。但是由于无人机关键技术的限制，精度、性能与国外的同期产品相比差距还比较大，无人机自动驾驶仪的产品数量和功能也很有限，拥有自主知识产权的产品较少。要想从根本上提高自己的无人机自动驾驶仪产品，就必须走自主研发的道路。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种可以有利于换挡控制的智能化无人机系统。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种智能化无人机系统，包括主要包括机载控制系统、地面控制设备和导航系统，机载控制系统由自动驾驶仪、机载设备、伺服机构、机载电台和接收机构成，地面控制设备包括地面电台和遥控器，地面电台与机载电台通信连接。

优选地，上述地面电台与地面站连接。

优选地，上述无人机系统还包括导航系统，导航系统与自动驾驶仪之间无线连接。

优选地，上述自动驾驶仪接收导航系统的信号再结合自动驾驶仪本身的惯性导航部分计算出无人机的姿态、速度、高度、位置，由自动驾驶仪处理器计算出无人机应具有的目标姿态，速度等信息，给出控制量控制伺服机构，进而对飞机进行控制。

优选地，上述自动驾驶仪由敏感元件、计算机和伺服机构组成。

优选地，上述自动驾驶仪由处理器模块、导航模块、控制输出模块、传感器模块、通信模块、RC接收机模块和电源模块构成。

本发明同时提供了一种实现如上述的智能化无人机系统的飞行控制方法，具体包括根据无人机纵向平面的对称性，将飞行控制在一定条件下分解为相对独立的纵向通道和横侧向通道；其中纵向通道采用升降舵和油门稳定与控制无人机的俯仰角、高度、速度等；横侧向控制通道采用副翼和方向舵稳定与控制无人机的航向角、滚转角和侧偏距；其中，纵向运动的控制主要是通过操纵无人机的升降舵和油门来实现的，在纵向控制通道中，俯仰角反馈和俯仰角速率反馈构成了纵向通道的核心控制回路内回路。另外，还有高度负反馈，以稳定和控制无人机的飞行高度；横侧向运动是通过控制副翼和方向舵来实现的，方向舵回路控制主要用来增加荷兰滚阻尼，副翼控制回路以滚转角控制为内回路，侧向偏离控制为外回路，利用副翼来改变飞机的滚转角，进而改变航向角以控制侧向偏离。

相较于现有技术，本发明提供的智能化无人机系统及控制方法，采用了智能化的集成方式，实现了一体化操作，在纵向运动和横侧向运动方面，增加了考虑因素，不同的控制通道设计相应的控制方法，保证了控制的精度和操作便利性。

附图说明

图1为本发明智能化无人机系统结构示意图；

图2为本发明智能化无人机系统基本控制通道结构示意图。

附图标记：1-机载控制系统；2-地面控制设备；3-自动驾驶仪；4-导航系统；5-机载设备；6-伺服机构；7-机载电台；8-接收机；9-地面电台；10-遥控器；11-地面站。

具体实施方式

本发明提供一种智能化无人机系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的智能化无人机系统，无人机飞行控制系统的主要任务就是控制无人机完成飞行任务，完成遥测数据传送，对无人机进行实时监测等。无人机控制系统包括机载控制系统1和地面控制设备2两个部分。

智能化无人机系统的自动驾驶仪3接收导航系统4的信号再结合自动驾驶仪3本身的惯性导航部分计算出无人机的姿态，速度，高度，位置等导航信息，由自动驾驶仪3处理器计算出无人机应具有的目标姿态，速度等信息，给出控制量控制伺服机构6，进而对飞机进行控制。自动驾驶仪3还可以留出控制接口给机载设备，使无人机完成相应的任务。另外，自动驾驶仪3还要和地面保持实时通信，一般是通过电台使自动驾驶仪3和地面站11进行通信，以确保地面监控人员可以及时掌握无人机的状态并能通过即时命令控制无人机的飞行。地面站11主要作用是实时将无人机的飞行状态显示出来，并能保存飞行数据和上发控制指令。另外，为了更加确保无人机的飞行安全，无人机在起飞或者降落的关键阶段，会用到遥控器10进行手动控制，保证无人机安全起降。

自动驾驶仪3是无人机系统的控制核心，它由敏感元件、计算机和伺服机构6组成。当飞机偏离原有姿态时，敏感元件检测发生的变化，计算机算出修正舵偏量，伺服机构6将舵面操纵到所需位置。其基本功能如下：

1）导航、制导功能。主要是实时的给出飞机的位置，速度，高度等信息，根据飞行任务，计算出控制量，输出控制量控制无人机飞行。

2）信号采集功能。主要是通过传感器和A/D设备采集无人机上的信号，给出无人机飞行中的信息。

3）通信功能。主要是通过无线电等方式保持无人机和地面站11的联系，将无人机飞行状况实时通过地面站显示出来，并能接收地面站11发出的任务，控制无人机飞行。

其中自动驾驶仪3由以下几个模块组成：

1）处理器模块是自动驾驶仪自动控制核心。处理器主要负责传感器信息的采集，与无人机系统其他模块进行通信，在获取各种信息后，进行软件滤波处理和相应的转换，最后通过一定的算法进行计算，并将计算的结果输出。这既要求处理器具有较高的处理速度和运算能力，又要求处理器具有丰富的通信接口和控制接口。目前一般采用DSP、FPGA、ARM、AVR单片机等嵌入式微处理器，既能满足自动驾驶仪对处理器的要求，又能满足小型化和低功耗的要求。

2）导航模块：导航模块是自动驾驶仪中的重要部分，该模块利用自动驾驶仪上安装的传感器测量无人机的飞行状态，如利用三个轴向的陀螺和加速度计测量无人机的三轴角速率、三轴加速度等信息，利用气压传感器测量飞机的高度，空速等信息，然后结合导航卫星信息如GPS，北斗等进行姿态和导航运算，得出无人机的姿态，高度，速度和位置等信息，然后由控制率解算装置与预设命令进行比较，计算出输出控制信号给舵机来驱动操作舵面，从而产生空气动力和力矩来稳定、控制无人机的飞行状态。

3）控制输出模块：一般采用输出PWM控制信号或者输出开关量的控制信号去控制无人机上搭载的设备，如摄像机、云台、降落伞等。

4）传感器模块：主要采集无人机的飞行状态，自驾仪电源电压，机载设备工作状态等信息。

5）通信模块：用于和地面站通信，一般要求具有不同通信标准的通信接口，以提高自动驾驶仪的兼容性和扩展性。

6）RC接收机模块：目的就是处理无人机飞行过程中遇到的突发情况，可以在紧急时刻切换到手动控制，由地面操控人员控制飞机恢复安全状态。

7）电源模块：电源模块为整个系统提供电源。一般整个自动驾驶仪系统会用到各种不同的电压值，同时为了减少对外的接口和使用方便，只有一个外部电源为之供电，这就要求自动驾驶仪需要有电压转换功能，以满足不同芯片的要求。

无人机控制是一个多输入多输出的控制系统。对于常规无人机来说，利用升降舵、副翼舵、方向舵及油门完成对飞机运动的控制。控制的目的就是使无人机的姿态与航迹参数满足设定的要求。按照负反馈控制原理，控制系统需要通过传感器实时感知无人机的姿态与航迹信息，根据这些信息与控制任务的要求，按照一定的飞行控算法计算出控制信号，再经过放大与调整通过舵机驱动升降舵、副翼舵、方向舵及油门舵进行相应的偏转。

一般情况下，无人机控制是采用控制姿态来改变飞行轨迹，这就要求无人机控制要首先获知其角运动。因此，以角运动信号反馈为基础的飞行姿态稳定与控制回路称为内回路。同时，为了提高角运动的性能，还应该引入内环角速率反馈构成阻尼回路来弥补无人机的自身阻尼不足，改善姿态运动的稳定性。

本发明根据无人机纵向平面的对称性，将飞行控制在一定条件下分解为相对独立的纵向通道和横侧向通道。其中纵向通道采用升降舵和油门稳定与控制无人机的俯仰角、高度、速度等；横侧向控制通道采用副翼和方向舵稳定与控制无人机的航向角、滚转角和侧偏距等。

如图2所示，无人机的纵向运动主要是指无人机的俯仰和升降运动，无人机的纵向运动的控制主要是通过操纵无人机的升降舵和油门来实现的。在纵向控制通道中，俯仰角反馈和俯仰角速率反馈构成了纵向通道的核心控制回路内回路。另外，还有高度负反馈，以稳定和控制无人机的飞行高度。

无人机的横侧向运动主要指无人机的滚转和偏航运动，是通过控制副翼和方向舵来实现的。方向舵回路控制比较简单，主要用来增加荷兰滚阻尼。副翼控制回路则相对复杂，其以滚转角控制为内回路，侧向偏离控制为外回路。利用副翼来改变飞机的滚转角，进而改变航向角以控制侧向偏离。

本发明提供的智能化无人机系统及控制方法，采用了智能化的集成方式，实现了一体化操作，在纵向运动和横侧向运动方面，增加了考虑因素，不同的控制通道设计相应的控制方法，保证了控制的精度和操作便利性。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种智能化无人机系统，其特征在于：所述无人机系统主要包括机载控制系统（1）、地面控制设备（2）和导航系统（4），所述机载控制系统（1）由自动驾驶仪（3）、机载设备（5）、伺服机构（6）、机载电台（7）和接收机（8）构成，所述地面控制设备（2）包括地面电台（9）和遥控器（10），所述地面电台（9）与机载电台（7）通信连接。

2.如权利要求1所述的智能化无人机系统，其特征在于：所述地面电台（9）与地面站（11）连接。

3.如权利要求1所述的智能化无人机系统，其特征在于：所述无人机系统还包括导航系统（4），所述导航系统（4）与自动驾驶仪（3）之间无线连接。

4.如权利要求1所述的智能化无人机系统，其特征在于：所述自动驾驶仪（3）接收导航系统（4）的信号再结合自动驾驶仪（3）本身的惯性导航部分计算出无人机的姿态、速度、高度、位置，由自动驾驶仪（3）处理器计算出无人机应具有的目标姿态，速度等信息，给出控制量控制伺服机构（6），进而对飞机进行控制。

5.如权利要求1所述的智能化无人机系统，其特征在于：所述自动驾驶仪（3）由敏感元件、计算机和伺服机构（6）组成。

6.如权利要求1所述的智能化无人机系统，其特征在于：所述自动驾驶仪（3）由处理器模块、导航模块、控制输出模块、传感器模块、通信模块、RC接收机模块和电源模块构成。

7.一种实现如权利要求1所述的智能化无人机系统的飞行控制方法，其特征在于：根据无人机纵向平面的对称性，将飞行控制在一定条件下分解为相对独立的纵向通道和横侧向通道；其中纵向通道采用升降舵和油门稳定与控制无人机的俯仰角、高度、速度等；横侧向控制通道采用副翼和方向舵稳定与控制无人机的航向角、滚转角和侧偏距；其中，纵向运动的控制主要是通过操纵无人机的升降舵和油门来实现的，在纵向控制通道中，俯仰角反馈和俯仰角速率反馈构成了纵向通道的核心控制回路内回路;另外，还有高度负反馈，以稳定和控制无人机的飞行高度；横侧向运动是通过控制副翼和方向舵来实现的，方向舵回路控制主要用来增加荷兰滚阻尼，副翼控制回路以滚转角控制为内回路，侧向偏离控制为外回路，利用副翼来改变飞机的滚转角，进而改变航向角以控制侧向偏离。