CN108248891A - 一种针对无人机半闭环舵面的标定系统及标定方法 - Google Patents

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Abstract

一种针对无人机半闭环舵面的标定系统及标定方法，系统包括地面控制装置、夹子和标定盒，其中标定盒又包括MEMS惯导、处理器模块和无线通信模块；地面控制装置通过电缆连接无人机，对无人机发送控制指令，控制无人机舵面上下摆动，标定盒通过夹子夹持在无人机的翼面后缘，随翼面共同运动，MEMS惯导用于测量翼面转动角度，处理器模块将MEMS惯导测量得到的翼面转动角度信息转换为四元数，并通过无线通信模块提供给地面控制装置，进行无人机半闭环舵面的标定。本发明由于其相对舵面的固定位置没有要求，所以其适用范围较广，可操作性高，且将舵面角位置和舵面转轴因素分离开，所以舵面旋转运动的标定较为方便。

Description

一种针对无人机半闭环舵面的标定系统及标定方法
技术领域
本发明涉及一种针对无人机半闭环舵面的标定系统及标定方法，涉及航空保障设备领域。
背景技术
目前针对中大尺寸固定翼无人机，其中多采用半闭环舵面，由于缺乏全闭环测量手段，其半闭环舵面的标定多为外界辅助标定和评估。
如角度测量往往转化为测量弦长等线性测量，这样的代价是大角度时和小角度时测量存在误差或测量精度无法保持一致；
相关测量手段针对该项工作的辅助器材中，多为线缆形式通信且为手动布置导致现场实施不便，若舵面较多时则更为繁琐费时费力。
目前对角度的量测时传感器对舵面的安装固定都有着严格的要求，稍有偏离即严重影响测量准确性，这给角度量测带来了一定的难度，过程也相对耗时耗力。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种针对无人机半闭环舵面的标定系统及标定方法。
本发明的技术解决方案是：
一种针对无人机半闭环舵面的标定系统，包括地面控制装置、夹子和标定盒，其中标定盒又包括MEMS惯导、处理器模块和无线通信模块；
地面控制装置通过电缆连接无人机，对无人机发送控制指令，控制无人机舵面上下摆动，标定盒通过夹子夹持在无人机的翼面后缘，随翼面共同运动，MEMS惯导用于测量翼面转动角度，处理器模块将MEMS惯导测量得到的翼面转动角度信息转换为四元数，并通过无线通信模块提供给地面控制装置，进行无人机半闭环舵面的标定。
所述无线通信模块中包括蓝牙模块和wifi模块，处理器模块与地面控制装置之间的无线通讯通过蓝牙模块或者wifi模块实现。
一种针对无人机半闭环舵面的标定方法，步骤如下：
(1)进行机械对零；
(2)进行四元数归零；
(3)地面控制装置发送指令给无人机，控制舵面做向下小角度步进，标定盒将采集到的舵面转动角度发送给地面控制装置，当标定盒采集到的舵面向下转动角度不再变化时，记录该位置为舵面下摆极限位置，进入步骤(4)；
(4)地面控制装置发送指令给无人机，控制舵面做向上小角度步进，标定盒将采集到的舵面转动角度发送给地面控制装置，当标定盒采集到的舵面向上转动角度不再变化时，记录该位置为舵面上摆极限位置，进入步骤(5)；
(5)再次进行机械对零；
(6)再次进行四元数归零；
(7)地面控制装置发送指令给无人机，控制舵面做向下小角度步进并记录，标定盒将采集到的舵面转动角度发送给地面控制装置，当标定盒采集到的舵面向下转动角度达到舵面下摆极限位置时，停止向下摆动步进，进入步骤(8)；
(8)地面控制装置发送指令给无人机，控制舵面做向下上角度步进并记录，标定盒将采集到的舵面转动角度发送给地面控制装置，当标定盒采集到的舵面向上转动角度达到舵面上摆极限位置时，停止向上摆动步进，进入步骤(9)；
(9)根据步骤(7)和步骤(8)记录下来的舵面向上和向下步进的数据进行数值回归或者拟合处理，完成无人机半闭环舵面的标定。
所述小角度步进是指1°的步进增量。
所述机械对零，具体是指将舵面机械调整到气动设计定义的零位。
所述进行四元数归零，具体是指将四元数向量置为q0＝[1,0,0,0]’，即转动角度为零。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)标定盒为无线缆设计(自带带电源模块供电，且为无线通信方式)，安装时不受线缆(长度等因素)约束，同时也不会因为线缆拖拽原因给舵面造成额外负载影响测量。
(2)测量采用四元数法表示，将转轴和转动角度进行分离，其优点是对安装在舵面的固定位置没有要求，方便灵活。
(3)标定盒轻重量化设计且采用普通夹子固定，安装牢固成本低。
附图说明
图1为本发明标定系统组成框图；
图2为本发明标定盒内部框图；
图3为本发明探索极限位置流程图；
图4为本发明标定流程图。
具体实施方式
本发明涉及一种针对半闭环舵面的标定系统和方法，属于航空保障设备领域。该方法运用四元数法的轴(旋转轴)角(旋转角)因素对舵面角位置加以量测，旋转轴即为舵面转轴，旋转角度只依赖于舵面作动量和角位置。本发明由于其相对舵面的固定位置没有要求，所以其适用范围较广，可操作性高。该技术将舵面角位置和舵面转轴因素分离开，所以舵面旋转运动的标定较为方便。
如图1、2所示，本发明提出的一种针对无人机半闭环舵面的标定系统，包括地面控制装置、夹子和标定盒，其中标定盒又包括MEMS惯导、处理器模块和无线通信模块；
地面控制装置通过电缆连接无人机，对无人机发送控制指令，控制无人机舵面上下摆动，标定盒通过夹子夹持在无人机的翼面后缘，随翼面共同运动，MEMS惯导用于测量翼面转动角度，处理器模块将MEMS惯导测量得到的翼面转动角度信息转换为四元数，并通过无线通信模块提供给地面控制装置，进行无人机半闭环舵面的标定。
无线通信模块中包括蓝牙模块和wifi模块，处理器模块与地面控制装置之间的无线通讯通过蓝牙模块或者wifi模块实现。
本发明使用四元数的轴角方法量测旋转角度，且与旋转轴分离关系，所述旋转角度标识舵面角位置，所述旋转轴为舵面转轴，当驱动舵面作动到某个角位置时，对该位置的量测无需首先量测舵面转轴的空间位置，标定盒相对多面的固定位置也没有特殊要求，标定盒可以直接以四元数的方式给出角位置量测。
如图3、4所示，基于上述标定系统，本发明还提出一种针对无人机半闭环舵面的标定方法，步骤如下：
(1)进行机械对零；所述机械对零，具体是指将舵面机械调整到气动设计定义的零位。
(2)进行四元数归零；所述进行四元数归零，具体是指将四元数向量置为q0＝[1,0,0,0]’,即转动角度为零。
(3)地面控制装置发送指令给无人机，控制舵面做向下小角度步进，标定盒将采集到的舵面转动角度发送给地面控制装置，当标定盒采集到的舵面向下转动角度不再变化时，记录该位置为舵面下摆极限位置，进入步骤(4)；所述小角度步进是指1°的步进增量。
(4)地面控制装置发送指令给无人机，控制舵面做向上小角度步进，标定盒将采集到的舵面转动角度发送给地面控制装置，当标定盒采集到的舵面实际向上转动角度不再变化时，记录该位置为舵面上摆极限位置，达到舵面上摆极限位置时，停止向上摆动步进，进入步骤(5)；
(5)再次进行机械对零；
(6)再次进行四元数归零；
(7)地面控制装置发送指令给无人机，控制舵面做向下小角度步进并记录，标定盒将采集到的舵面转动角度发送给地面控制装置，当标定盒采集到的舵面实际向下转动角度不再变化时，记录该位置为舵面下摆极限位置，达到舵面下摆极限位置时，停止向下摆动步进，进入步骤(8)；
由于多次调零之后，MEMS传感器可能会有偏移，所以可以循环若干次上面步骤，以消除偏移问题。
(8)再次进行机械对零；
(9)再次进行四元数归零；
(10)地面控制装置发送指令给无人机，控制舵面做向上角度步进并记录，标定盒将采集到的舵面转动角度发送给地面控制装置，当标定盒采集到的舵面向上转动角度达到舵面上摆极限位置时，停止向上摆动步进，进入步骤(11)；
(11)再次进行机械对零；
(12)再次进行四元数归零；
(13)地面控制装置发送指令给无人机，控制舵面做向下角度步进并记录，标定盒将采集到的舵面转动角度发送给地面控制装置，当标定盒采集到的舵面向上转动角度达到舵面下摆极限位置时，停止向下摆动步进，进入步骤(14)；
(14)根据步骤(10)和步骤(13)记录下来的舵面向上和向下步进的数据进行数值回归或者拟合处理，完成无人机半闭环舵面的标定，得出舵面控制特性曲线(包括标定误差曲线、回滞特性、死区特性、动态跟随能力)。
本发明由于其相对舵面的固定位置没有要求，所以其适用范围较广，可操作性高，且将舵面角位置和舵面转轴因素分离开，所以舵面旋转运动的标定较为方便。

Claims (6)

1.一种针对无人机半闭环舵面的标定系统，其特征在于：包括地面控制装置、夹子和标定盒，其中标定盒又包括MEMS惯导、处理器模块和无线通信模块；
地面控制装置通过电缆连接无人机，对无人机发送控制指令，控制无人机舵面上下摆动，标定盒通过夹子夹持在无人机的翼面后缘，随翼面共同运动，MEMS惯导用于测量翼面转动角度，处理器模块将MEMS惯导测量得到的翼面转动角度信息转换为四元数，并通过无线通信模块提供给地面控制装置，进行无人机半闭环舵面的标定。
2.根据权利要求1所述的一种针对无人机半闭环舵面的标定系统，其特征在于：所述无线通信模块中包括蓝牙模块和wifi模块，处理器模块与地面控制装置之间的无线通讯通过蓝牙模块或者wifi模块实现。
3.一种基于权利要求1所述标定系统实现的针对无人机半闭环舵面的标定方法，其特征在于步骤如下：
(1)进行机械对零；
(2)进行四元数归零；
(3)地面控制装置发送指令给无人机，控制舵面做向下小角度步进，标定盒将采集到的舵面转动角度发送给地面控制装置，当标定盒采集到的舵面向下转动角度不再变化时，记录该位置为舵面下摆极限位置，进入步骤(4)；
(4)地面控制装置发送指令给无人机，控制舵面做向上小角度步进，标定盒将采集到的舵面转动角度发送给地面控制装置，当标定盒采集到的舵面向上转动角度不再变化时，记录该位置为舵面上摆极限位置，进入步骤(5)；
(5)再次进行机械对零；
(6)再次进行四元数归零；
(7)地面控制装置发送指令给无人机，控制舵面做向下小角度步进并记录，标定盒将采集到的舵面转动角度发送给地面控制装置，当标定盒采集到的舵面向下转动角度达到舵面下摆极限位置时，停止向下摆动步进，进入步骤(8)；
(8)地面控制装置发送指令给无人机，控制舵面做向下上角度步进并记录，标定盒将采集到的舵面转动角度发送给地面控制装置，当标定盒采集到的舵面向上转动角度达到舵面上摆极限位置时，停止向上摆动步进，进入步骤(9)；
(9)根据步骤(7)和步骤(8)记录下来的舵面向上和向下步进的数据进行数值回归或者拟合处理，完成无人机半闭环舵面的标定。
4.根据权利要求3所述的一种针对无人机半闭环舵面的标定方法，其特征在于：所述小角度步进是指1°的步进增量。
5.根据权利要求3所述的一种针对无人机半闭环舵面的标定方法，其特征在于：所述机械对零，具体是指将舵面机械调整到气动设计定义的零位。
6.根据权利要求3所述的一种针对无人机半闭环舵面的标定方法，其特征在于：所述进行四元数归零，具体是指将四元数向量置为q0＝[1,0,0,0]’，即转动角度为零。
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