CN108931985A - 一种四旋翼无人机科研与教学试验台的测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种四旋翼无人机科研与教学试验台的测控系统，该系统由硬件电路和测控软件两部分组成。硬件电路由角度编码器、主控芯片、解码板、陀螺仪、传感器、遥控器、姿态调整机构组成，无人机滚转信号经角度编码器和解码板传输到滚转角控制软件中，显示出姿态响应曲线，根据曲线变化趋势调整相应的PID参数，再由软件将参数修改指令反馈至主控芯片，同时把遥控指令的期望姿态同陀螺仪监测到的实时姿态作比较，其结果作为控制输入量，经主控芯片将两个输入指令运算、处理后输出相应的控制命令。通过软硬件有机结合，实现无人机单自由度平稳飞行。该系统不仅对研究旋翼无人机的控制机理有指导意义，而且对无人机控制系统的研发有重要的借鉴价值。

Description

一种四旋翼无人机科研与教学试验台的测控系统

技术领域

本发明涉及无人机领域，具体涉及一种四旋翼无人机科研与教学试验台的测控系统。

背景技术

旋翼飞行器的研究更是历史悠久，非共轴双旋翼直升机在现代直升机中属于研究较早的，目前美国在非共轴双旋翼直升机领域的研究积累最为扎实。虽然现在我国国内，也有不少企业在做旋翼无人机的研制，但核心技术并没有创新，大多都是仿形设计，无人机的核心技术就是无人机的飞行控制问题，仿造不可能掌握核心技术，虽然当前四旋翼无人机技术已经比较成熟了，但大多技术是保密的，对于无人机的使用者，或是我国的基础教学来说只知其一，了解的层次非常浅薄，难以获知数学模型具体参数，导致研究无法深入和创新。

本发明的四旋翼无人机科研与教学试验台的测控系统通过提供用于调试、试验的无人机和开源飞控滚转角测控软件以及用于安全保护和数据测量的试验台，可以方便学生学习和掌握四旋翼无人机飞控技术及其内在控制机理；采用圆光栅为无人机姿态响应提供精确且不受噪声干扰的准确数据，实时显示控制算法的动态响应性能指标；采用相应软件对无人机系统进行系统辨识和在线建模，对控制系统的数学模型、整定参数和校正结果进行实时显示。该测试系统能够用户提供研究所需的数学模型，能够解决当前多旋翼无人机研制工作中最迫切的问题。由于基层教学的巨大需求，基于我国政府的大力支持，多旋翼无人机科研与教学试验台测控系统的应用，存在巨大的市场。

发明内容

本发明的目的是解决当前多旋翼无人机研究中遇到的难以获知数学模型具体参数和内在飞行控制机理，导致研究无法深入和创新的问题，为此发明了四旋翼无人机科研与教学试验台的测控系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

四旋翼无人机科研与教学试验台的测控系统，其特征在于：测控系统由硬件电路和测控软件两部分组成；

所述的硬件电路包括角度编码器、主控芯片、解码板、陀螺仪、传感器、遥控器、姿态调整机构，主控芯片通过无线传输接收遥控器的指令，同时获取陀螺仪检测的实时姿态，主控芯片对上述数据做对比、运算后输出相应控制命令，控制姿态调整机构的动作；

所述的主控芯片是意法半导体公司的Stm32F407芯片，遥控器是指WFLY-WTF9航模专业遥控器；所述的解码板是指ES9028Q2M输入解码版；所述的陀螺仪是指MPU6050陀螺仪；所述的传感器是指三轴加速度计和三轴磁力计；所述的姿态调整机构是指数字舵机和直流无刷电机；所述的角度编码器是指欧姆龙E6B2脉冲增量式编码器。

所述的控制软件是指滚转角控制软件，作用将通过角度编码器采集、解码板解码后的信号进行分析处理、观察图像趋势，对相应参数手动操作后将指令反馈给主控芯片，以重新调整姿态。

本发明的有益效果为：

(1)本发明所涉及的四旋翼无人机科研与教学试验台的测控系统通过提供用于调试、试验的无人机和开源飞控滚转角测控软件以及用于安全保护和数据测量的试验台，可以方便学生学习和掌握四旋翼无人机飞控技术；

(2)采用圆光栅为无人机姿态响应提供精确且不受噪声干扰准确数据，实时显示控制算法的动态响应性能指标；

(3)采用相应软件对无人机系统进行系统辨识和在线建模，对控制系统的数学模型、整定参数和校正结果进行实时显示。

附图说明

图1为本发明的载体结构示意图；

图2为本发明的硬件电路原理图；

图3为本发明的控制图软件总体流程图；

图4为本发明的滚转角控制软件原理图；

图中：1.为四旋翼无人机(包括螺旋桨、直流无刷电机、陀螺仪、传感器等)，2.角度编码器，3.试验台机架，4.锂电池，5.解码板，6.计算机，7.主控板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述。

如图1所示，为实现四旋翼无人机姿态的调整，须对无人机的滚转角进行控制。通过陀螺仪、传感器对四旋翼无人机姿态解算出实际姿态、遥控器和滚转角测控软件给出的期望姿态进行比较，并做PID随动控制，对无人机的姿态进行调整。

如图2所示，硬件电路包括角度编码器、主控芯片、解码板、陀螺仪、传感器、遥控器、姿态调整机构，主控芯片通过无线传输接收遥控器的指令，同时获取陀螺仪检测的实时姿态，主控芯片对上述数据做对比、运算再结合经滚转角控制软件修正后的PID参数，输出相应控制命令，控制姿态调整机构的动作；

如图3所示，首先对系统做初始化配置，包括：系统时钟设置、延时初始化、串口波特率设置、定时器计数频率设置等。因为直流无刷电机由电调驱动，所以随后的程序需要对电调做油门行程设定，以确定系统对电机转速的可控范围，本发明设定的油门行程为1000～1500us。此后，程序进入主循环。进入主循环后，系统通过串口读取MPU6050三轴陀螺仪测量的无人机是实时姿态信息，通过定时器捕获遥控器发出的期望飞行姿态，然后将实测值与期望值作比较，经由PID控制环节对滚转角做随动控制。再通过角度编码器测量无人机实际飞行情况，通过解码板解算飞行滚转角度信号，将信号导入滚转角控制软件，对相应PID参数进行调整之后输出到PID控制环节进行姿态的再调整。最后，通过定时器输出四路PWM波形控制直流电机、舵机等执行机构的动作。

如图4所示，经由串口读取MPU6050三轴陀螺仪测量得到的无人机的飞行实测值与遥控器和滚转角控制软件共同发出的期望姿态指令对比、运算之后通过PID控制算法对4个无刷电机的转速进行调整控制，输出的PWM1波控制电机1和电机3的转速，输出的PWM2波控制电机2和电机4的转速，综合实现对无人机滚转姿态的调整。

上面以具体实施例予以说明本发明的工作与测控原理，本发明并不局限于以上实施例，根据上述的说明内容，凡在本发明精神与原则之上所作的任何修改、同等替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种四旋翼无人机科研与教学试验台的测控系统，其特征在于：

测控系统由硬件电路和测控软件两部分组成；

所述的硬件电路包括角度编码器、主控芯片、解码板、陀螺仪、传感器、遥控器、姿态调整机构，主控芯片通过无线传输接收遥控器的指令，同时获取陀螺仪检测的实时姿态，主控芯片对上述数据做对比、运算后输出相应控制命令，控制姿态调整机构的动作；

所述的主控芯片是意法半导体公司的Stm32F407芯片，遥控器是指WFLY-WTF9航模专业遥控器；所述的解码板是指ES9028Q2M输入解码版；所述的陀螺仪是指MPU6050陀螺仪；所述的传感器是指三轴加速度计和三轴磁力计；所述的姿态调整机构是指数字舵机和直流无刷电机；所述的角度编码器是指欧姆龙E6B2脉冲增量式编码器；

所述的控制软件是指滚转角控制软件，作用将通过角度编码器采集、解码板解码后的信号进行分析处理、观察图像趋势，对相应参数手动操作后将指令反馈给主控芯片，以重新调整姿态。