CN108170154A

CN108170154A - 一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法

Info

Publication number: CN108170154A
Application number: CN201711373808.4A
Authority: CN
Inventors: 吕键; 李长欣; 李明明; 冯建红; 黄琼诗; 梁俊伟; 张飞豹; 徐嘉泽; 郑敏; 钟典呈; 徐奕敏; 黄菁
Original assignee: Guangdong Institute Of Aeronautics And Astronautics Technology Research Institute
Current assignee: Guangdong Institute Of Aeronautics And Astronautics Technology Research Institute
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2018-06-15

Abstract

一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法，涉及无人机技术领域，其包括如下步骤：步骤一：利用低通滤波器或者均值滤波器对三轴加速度计输出的信号进行滤波，步骤二：利用卡尔曼滤波器或均值滤波器对三轴陀螺仪输出的信号进行滤波，步骤三：利用去极值滤波器对三轴电子罗盘输出的信号进行滤波，步骤四：对步骤一和步骤二经滤波后的信号进行四元数/欧拉角姿态解算，对步骤三经滤波后的信号进行航向解算，步骤五：对步骤四的两个经解算后的数据进行互补滤波得到无人机的姿态角，其中，姿态角包括俯仰角、横滚角和航向角，步骤六：对各个姿态角通过串级PID控制以使得无人机实现倾斜飞行，步骤七：无人机上的摄像头时刻保持正向拍摄。

Description

一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，特别是涉及一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法。

背景技术

随着MEMS传感器、无刷电机、单片机以及锂电池技术的发展，四旋翼飞行器现在已经成为航模界的后起之秀。与固定翼飞行器相比之下四旋翼飞行器具有结构简单，控制起来非常方便，能够垂直起降，成本非常的低、稳定性也高，机动性非常强等特点。在民用可以代替有人机完成一些任务，在军事上有很强的战场生存能力。因此在这些领域应用广泛，如军事侦查、农林业调查、灾害检测、输电线巡查、玩具航模、航拍、气象探测等。四旋翼飞行器的飞行原理虽然简单，但是涉及到的知识面非常的广[]，从机体结构的设计、传感器滤波算法、控制系统的设计和软件的设计都需要理论的支持。本次设计针对四旋翼飞行器姿态控制系统进行更深入的研究，它的研究将推动中国四旋翼飞行器的研究发展，为四旋翼飞行器在环境保护、气象、火灾、侦查追踪等民用和军用领域实现产业化作出突出贡献。廉价并且高性能的飞行器的研究将会拥有巨大的经济效益，能够对我国的科研事业起到巨大的推动作用。

无人机的飞行姿态控制主要靠对各种传感器传来的数据进行处理，然而现有技术的传感器采集到的数据传输到控制器处理的过程中会受到很多因素的干扰，造成传输误差，为了减小误差，提高检测的精度，需对该些数据进行处理。

另一方面，坐标系是描述物体在空间的相对位置和运动规律的，而导航技术就是为了确定载体的空间位置。只有选定参考坐标系，才能对系统的运动进行描述。不同的坐标系下载体的描述规律和运动形式也是不同的，因此，选择合适的坐标系是非常重要的。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法，该无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试的方法和电路能够对传感器采集的数据进行高质量的处理，以减少传输误差。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法，无人机为X字模式的四旋翼无人机，其包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴电子罗盘，该调试方法包括如下步骤：

步骤一：利用低通滤波器或者均值滤波器对三轴加速度计输出的信号进行滤波。

步骤二：利用卡尔曼滤波器或均值滤波器对三轴陀螺仪输出的信号进行滤波，

步骤三：利用去极值滤波器对三轴电子罗盘输出的信号进行滤波，

步骤四：对步骤一和步骤二经滤波后的信号进行四元数/欧拉角姿态解算，对步骤三经滤波后的信号进行航向解算，

步骤五：对步骤四的两个经解算后的数据进行互补滤波得到无人机的姿态角，其中，姿态角包括俯仰角、横滚角和航向角，

步骤六：对各个姿态角通过串级PID控制以使得无人机实现倾斜飞行，

步骤七：无人机上的摄像头时刻保持正向拍摄。

其中，使用三轴电子罗盘前，对其进行初始化，然后进行磁场校准，将三轴电子罗盘水平放置并旋转一周得到新的圆周圆心位置。

其中，对陀螺仪的漂移进行实时的数据补偿。

其中，软件上采用模块化的设计，具体包括四个部分：A、初始化硬件；B、多传感器的数据采集模块；C、多传感器数据融合的姿态解算模块；D、姿态信息输出模块。

所述摄像头时刻保持正向拍摄是通过将摄像头可转动固定于无人机上，无人机上还设有用于推动摄像头转动的推动装置，推动装置受重力作用始终保持垂直与地面，当无人机倾斜飞行时，受推动装置的作用摄像头自动调节其角度实现正向拍摄。

一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试电路，包括控制器和分别与控制器连接的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘、无线模块、遥控接收器、电子调速器、无刷电机和GPS模块，遥控器和所述遥控器接收器通信,所述控制器的型号为STM32f103zet，遥控接收器上的油门通道、副翼通道、升降舵通道、方向舵通道分别与控制器上的相应接口相连，

无人机的控制器对遥控器数据进行捕获处理：对控制器内部的定时器进行输入捕获配置，捕获遥控器接收机发出的PWM信号，把该PWM信号转化成控制量再经过串级PID控制把输出量提供给四个无刷电机，进而控制无人机的动作。

GPS模块配合上位机在上位机上输入一些GPS坐标点，控制器自动生成航线，并且从GPS模块中读取定位数据与存储的定位坐标做实时的对比，进而修正航线，将定位坐标显示在上位机上，处理并显示当前位置。

其中，用型号为MPU6050的芯片对三轴加速度计和三轴陀螺仪的数据进行读取。

其中，用型号为HMC5883的传感器来测量无人机所处位置的三轴磁场信息。

其中，所述遥控器和遥控器接收器均采用型号为NRF24L01的无线通信模块，通过两颗无线通信模块进行数据的传输，控制器将姿态和高度等息传输至地面站，地面站将位置信息和导航信息告诉控制器。

其中，所述电路还包括电源模块，所述电源模块包括12V供电电源、第一稳压芯片和第二稳压芯片，第一稳压芯片将12V电压降为5V，第二稳压芯片再把5V电压降为3.3V。

本发明的有益效果：本发明的无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试的方法能够对传感器采集的数据进行高质量的处理，以减少传输误差。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是姿态参考系统原理图。

图2是MPU6050的芯片对三轴加速度计和三轴陀螺仪的数据进行读取的电路图。

图3是型号为HMC5883的数字罗盘的电路图。

图4是电源模块的部分电路图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

本实施例的一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法，无人机为X字模式的四旋翼无人机，其包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴电子罗盘，该调试方法包括如下步骤(如图1所示)：

步骤一：利用低通滤波器或者均值滤波器对三轴加速度计输出的信号进行滤波以提高信噪比，均值滤波因其具备低通滤波的特性并且计算简单，

步骤二：利用卡尔曼滤波器或均值滤波器对三轴陀螺仪输出的信号进行滤波，三轴陀螺仪的信号具有高动态的特点，它的信号噪声主要为高斯白噪音，可以通过卡尔曼滤波器来滤除这种高斯白噪声。因为需要融合加速度传感器获得的姿态角信号，所以选择均值滤波来去除噪声。

步骤七：无人机上的摄像头时刻保持正向拍摄。

欧拉角和四元数方法都是针对陀螺仪姿态测量进行处理的数学方法，可以有效地解算处姿态角。把解算出来的姿态角进行数据融合。考虑到高动态下陀螺仪测得的数据解算出的姿态角比较准确因此在高动态条件下选用陀螺仪信号，低动态下加速度信号解算出的姿态角更稳定因此在低动态条件下选择加速度信号。

本实施例的无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试的方法和电路能够对传感器采集的数据进行高质量的处理，以减少传输误差。

其中，对陀螺仪的漂移进行实时的数据补偿。这样做能够有效提高飞行器姿态测量精度，确保控制系统的姿态角的准确性和稳定性

所述卡尔曼滤波器的滤波算法是：首先根据系统上一次得来的最优值计算出当前的估计值和协方差，再根据该协方差大小计算出卡尔曼增益的大小，最后根据当前的估计值和测量值计算出当前的最优值和协方差。

所述当前的估计值：X(k|k-1)＝A(k,k-1)*X(k-1|k-1)+B(k)*U(k)，其中，X(k|k-1)表示的是根据k-1时刻的最优值计算出的k时刻估计值，X(k-1|k-1)表示k-1时刻的最优值，A(k,k-1)是状态转移矩阵，B(k)是输入控制加权矩阵，U(k)表示k时刻的输入控制信号。

计算卡尔曼增益矩阵的公式是：K(k)＝P(k|k-1)*H(k)/(H(k)*P(k|k-1)*H(k)+R(k))其中，K(k)表示卡尔曼增益，R(k)表示k时刻观测过程的对测量的信任程度，H(k)表示观测矩阵。

更新估计：X(k|k)＝X(k|k-1)+K(k)*(Z(k)–H(k)*X(k|k-1))

P(k|k)＝(1-K(k)*H(k))*P(k|k-1)

其中，Z(k)表示k时刻的观测值，I为单位矩阵。

本实施例的一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法，实现该方法的电路还包括控制器和分别与控制器连接的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘、无线模块、遥控接收器、电子调速器、无刷电机和GPS模块，遥控器和所述遥控器接收器通信,所述控制器的型号为STM32f103zet，遥控接收器上的油门通道、副翼通道、升降舵通道、方向舵通道分别与控制器上的相应接口相连，

如图2所示，用型号为MPU6050的芯片对三轴加速度计和三轴陀螺仪的数据进行读取。MPU6050芯片内部集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，这样做不仅消除了焊接电路时易造成加速度计和陀螺仪之间的对准误差的问题，而且因为芯片内部结构上有数字可编程低通滤波器。所以在飞行器经受较大震动的时候，可以用软件设置适当频率的低通滤波器，滤掉高频震动，这种方法很有效的减少了四旋翼机身震动对姿态测量的影响。

如图3所示，用型号为HMC5883的传感器来测量无人机所处位置的三轴磁场信息。

其中，所述遥控器和遥控器接收器均采用型号为NRF24L01的无线通信模块，通过两个无线通信模块进行数据的传输，控制器将姿态和高度等信息传输至地面站，地面站将位置信息和导航信息告诉控制器，从而达到可控的要求。

如图4所示，所述电路还包括电源模块，所述电源模块包括12V供电电源、第一稳压芯片和第二稳压芯片，第一稳压芯片将12V电压降为5V，为GPS模块、遥控器接收机等提供供电电源，第二稳压芯片再把5V电压降为3.3V，为飞行控制器、姿态测量传感器和无线通信模块提供电能。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法，无人机为X字模式的四旋翼无人机，其包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴电子罗盘，其特征在于：该调试方法包括如下步骤：

步骤一：利用低通滤波器或者均值滤波器对三轴加速度计输出的信号进行滤波，

步骤七：无人机上的摄像头时刻保持正向拍摄。

2.如权利要求1所述的一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法，其特征在于：使用三轴电子罗盘前，对其进行初始化，然后进行磁场校准，将三轴电子罗盘水平放置并旋转一周得到新的圆周圆心位置。

3.如权利要求1所述的一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法，其特征在于：对陀螺仪的漂移进行实时的数据补偿。

4.如权利要求1所述的一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法，其特征在于：软件上采用模块化的设计，具体包括四个部分：A、初始化硬件；B、多传感器的数据采集模块；C、多传感器数据融合的姿态解算模块；D、姿态信息输出模块。

5.如权利要求1所述的一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法，其特征在于：所述摄像头时刻保持正向拍摄是通过将摄像头可转动固定于无人机上，无人机上还设有用于推动摄像头转动的推动装置，推动装置受重力作用始终保持垂直与地面，当无人机倾斜飞行时，受推动装置的作用摄像头自动调节其角度实现正向拍摄。

6.如权利要求1所述的一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法，其特征在于：实现该方法的电路还包括控制器和分别与控制器连接的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘、无线模块、遥控接收器、电子调速器、无刷电机和GPS模块，遥控器和所述遥控器接收器通信,所述控制器的型号为STM32f103zet，遥控接收器上的油门通道、副翼通道、升降舵通道、方向舵通道分别与控制器上的相应接口相连，

7.如权利要求5所述的一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法，其特征在于：用型号为MPU6050的芯片对三轴加速度计和三轴陀螺仪的数据进行读取。

8.如权利要求5所述的一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法，其特征在于:用型号为HMC5883的传感器来测量无人机所处位置的三轴磁场信息。

9.如权利要求5所述的一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法，其特征在于：所述遥控器和遥控器接收器均采用型号为NRF24L01的无线通信模块，通过两颗无线通信模块进行数据的传输，控制器将姿态和高度信息传输至地面站，地面站将位置信息和导航信息告诉控制器。

10.如权利要求5所述的一种无人机多传感器正向摄影倾斜飞控调试方法，其特征在于：所述电路还包括电源模块，所述电源模块包括12V供电电源、第一稳压芯片和第二稳压芯片，第一稳压芯片将12V电压降为5V，第二稳压芯片再把5V电压降为3.3V。