CN109189099B - 一种四旋翼无人机的图形化控制组态方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四旋翼无人机的图形化控制组态方法。将四旋翼无人机的动作特征分为传感特征、通讯特征和驱动特征，并提供相应的四旋翼无人机控制元件分别用于机器人传感特征的读取、通讯信号的控制与基本指令的驱动；四旋翼无人机的控制过程能够按照预定的逻辑通过图形化的方式进行元件组态来实现，且控制过程能够被实时监控和干预。本发明采用图形化的方式进行四旋翼无人机的编程，降低了无人机开发的难度，提高了开发效率；具备可视化计算的特点，支持用户对机器人控制过程的中间数据进行实时监控；且可在线调整元件的参数，能够更方便、灵活地对控制过程进行调试，提高故障检查和修复的效率。

Description

一种四旋翼无人机的图形化控制组态方法

技术领域

本发明涉及移动机器人的运动控制，属于工业自动化软件技术领域，具体为一种四旋翼无人机的图形化控制组态方法。

背景技术

随着嵌入式处理器、微传感器技术和控制理论的发展和成熟,微小型无人机逐步向高效、多功能化方向发展,并广泛应用于军事、民用、以及科学研究等多个领域。其中四旋翼无人机由于具备垂直起降 、自由悬停,可适应于各种速度及各种飞行航路的飞行状况。它具有如下几个特点：1、体积小、重量轻,可以在地面、军舰上等多平台，多空间中使用。2、结构简单,便于携性，成本低,安全性好，易于维护，不需要弹射器等外部设备; 2、具有很强的机动性能,很强的执行特种任务能力,能钻到建筑物或洞穴隧道侦察发现目标,便于在复杂危险环境下使用,可以对细小环节进行侦察，可广泛应用于军事、民用、以及科学研究等多个领域。

但是由于四旋翼无人机的控制的需要开发底层嵌入式硬件设备，其编程语言又缺乏简洁性和高效性，严重地制约四旋翼无人机控制的快速发展。因此，将图形化编程的思想应用到四旋翼无人机的编程编程应用中，能够降低编程的复杂性，提高系统的开发效率，这对四旋翼无人机控制的发展具有重要的促进作用。然而现有的图形化编程方法常以“黑盒”的方式呈现，机器人控制过程的中间变量状态无法预知，不利于人们对机器人控制过程进行监控和干预，也不利于故障的检查与修复。同时现有的图形化编程方法的图形组件往往过于模块化，出现故障时难以找到具体问题产生的模块，解除故障的效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种四旋翼无人机的图形化控制组态方法，将四旋翼无人机的动作特征分为传感特征、通讯特征和驱动特征，并提供相应的四旋翼无人机控制元件分别用于机器人传感特征的读取、通讯信号的控制与基本指令的驱动；四旋翼无人机的控制过程能够按照预定的逻辑通过图形化的方式进行元件组态来实现，且控制过程能够被实时监控和干预。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种四旋翼无人机的图形化控制组态方法，其特征在于，将四旋翼无人机的动作特征分为传感特征、通讯特征和驱动特征，并提供相应的四旋翼无人机控制元件分别用于机器人传感特征的读取、通讯信号的控制与基本指令的驱动；四旋翼无人机的控制过程能够按照预定的逻辑通过图形化的方式进行元件组态来实现，且控制过程能够被实时监控和干预。

在本发明一实施例中，该方法具体实现如下：

步骤S1、在四旋翼无人机控制系统中内嵌虚拟控制器：

分析四旋翼无人机控制系统的结构为x-86架构计算机或者arm架构计算机，并根据实际的计算系统设计相应结构的虚拟控制器，在虚拟控制器设计中包括基本数据运算、内存管理、时间逻辑关系处理和外部设备驱动四种类型的软件机制的设计；

步骤S2、建立虚拟控制器与四旋翼无人机控制系统的通信连接：

虚拟控制器在四旋翼无人机控制系统中开辟内存区，对XML文件的解析得到四旋翼无人机包括设备名称与编号、驱动类型、IP地址与端口号、读写操作指令、数据内存地址、数据长度、类型的信息；四旋翼无人机控制系统的通用控制器内部配置Init_connect接口、Read_Data接口和Write_Data接口，分别用于驱动程序的初始化设置、调用设备状态反馈的驱动程序、以及调用设备控制的驱动程序，通过Read_Data接口调用设备状态反馈的驱动程序读取传感器数据存放至内存区中的特定地址，数据I/O模块可将内存区中的数据映射为控制策略软件中的输入元件，以便于用户实现图形化算法组态；同理，也可将控制逻辑中的输出元件映射至内存区中Write_Data对应的地址，根据根据解析XML文件解析调用控制程序程序并将控制输出数据发送至四旋翼无人机中，从而实现四旋翼无人机控制；

步骤S3、分析四旋翼无人机的应用程序接口，设计控制元件的结构与参数：

分析四旋翼无人机的算法功能，并封装为算法控制元件，确定算法控制元件的输入、输出变量及其它控制参数的个数与类型，明确该元件的输入、输出变量间的函数关系；同时利用四旋翼无人机控制系统提供的开发函数库，确定各元件对应的接口函数，并在组态软件中根据控制元件的结构和接口函数的调用方法完成控制元件的开发；

步骤S4、图形化组态四旋翼无人机控制逻辑：

根据四旋翼无人机的实际应用的需要，设计运动场景，并以图形化的方式通过元件的组态来实现四旋翼无人机的控制逻辑；所述元件包括无人机算法控制元件和基本控制元件；所述基本控制元件包括输入输出元件、基本函数发生元件、布尔逻辑元件、基础计算元件、常规控制元件；其中，算法元件元件通过步骤S3设计；

步骤S5、控制逻辑的下载，执行与监控：

首先，通过XML文件配置好相关的参数，其次，将控制逻辑下载至四旋翼无人机的虚拟控制器中执行，当控制逻辑执行时，在控制逻辑组态的界面中对各个元件的计算过程进行实时监控，同时可在线修改元件中的参数。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的四旋翼无人机的图形化控制组态方法，采用图形化的方式进行四旋翼无人机的编程，降低了无人机开发的难度，提高了开发效率；

(2)具备可视化计算的特点，支持用户对机器人控制过程的中间数据进行实时监控；

(3)本发明提供的四旋翼无人机的图形化控制组态方法，可在线调整元件的参数，能够更方便、灵活地对控制过程进行调试，提高故障检查和修复的效率。

附图说明

图1为本发明四旋翼无人机的图形化控制组态方法的流程图。

图2为本发明四旋翼无人机与虚拟控制器的通信方式。

图3为四旋翼无人机指定位置导航运动的控制逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种四旋翼无人机的图形化控制组态方法，其特征在于，将四旋翼无人机的动作特征分为传感特征、通讯特征和驱动特征，并提供相应的四旋翼无人机控制元件分别用于机器人传感特征的读取、通讯信号的控制与基本指令的驱动；四旋翼无人机的控制过程能够按照预定的逻辑通过图形化的方式进行元件组态来实现，且控制过程能够被实时监控和干预。该方法具体实现如下：

步骤S1、在四旋翼无人机控制系统中内嵌虚拟控制器：

分析四旋翼无人机控制系统的结构为x-86架构计算机或者arm架构计算机，并根据实际的计算系统设计相应结构的虚拟控制器，在虚拟控制器设计中包括基本数据运算、内存管理、时间逻辑关系处理和外部设备驱动四种类型的软件机制的设计；

步骤S2、建立虚拟控制器与四旋翼无人机控制系统的通信连接：

虚拟控制器在四旋翼无人机控制系统中开辟内存区，对XML文件的解析得到四旋翼无人机包括设备名称与编号、驱动类型、IP地址与端口号、读写操作指令、数据内存地址、数据长度、类型的信息；四旋翼无人机控制系统的通用控制器内部配置Init_connect接口、Read_Data接口和Write_Data接口，分别用于驱动程序的初始化设置、调用设备状态反馈的驱动程序、以及调用设备控制的驱动程序，通过Read_Data接口调用设备状态反馈的驱动程序读取传感器数据存放至内存区中的特定地址，数据I/O模块可将内存区中的数据映射为控制策略软件中的输入元件，以便于用户实现图形化算法组态；同理，也可将控制逻辑中的输出元件映射至内存区中Write_Data对应的地址，根据根据解析XML文件解析调用控制程序程序并将控制输出数据发送至四旋翼无人机中，从而实现四旋翼无人机控制；

步骤S3、分析四旋翼无人机的应用程序接口，设计控制元件的结构与参数：

分析四旋翼无人机的算法功能，并封装为算法控制元件，确定算法控制元件的输入、输出变量及其它控制参数的个数与类型，明确该元件的输入、输出变量间的函数关系；同时利用四旋翼无人机控制系统提供的开发函数库，确定各元件对应的接口函数，并在组态软件中根据控制元件的结构和接口函数的调用方法完成控制元件的开发；

步骤S4、图形化组态四旋翼无人机控制逻辑：

根据四旋翼无人机的实际应用的需要，设计运动场景，并以图形化的方式通过元件的组态来实现四旋翼无人机的控制逻辑；所述元件包括无人机算法控制元件和基本控制元件；所述基本控制元件包括输入输出元件、基本函数发生元件、布尔逻辑元件、基础计算元件、常规控制元件；其中，算法元件元件通过步骤S3设计；

步骤S5、控制逻辑的下载，执行与监控：

首先，通过XML文件配置好相关的参数，其次，将控制逻辑下载至四旋翼无人机的虚拟控制器中执行，当控制逻辑执行时，在控制逻辑组态的界面中对各个元件的计算过程进行实时监控，同时可在线修改元件中的参数。

以下为本发明的具体实现过程。

本发明提供的四旋翼无人机机器人的图形化控制组态方法，其基本原理是：将无人机的动作特征分为传感特征、通讯特征和驱动特征，并提供一系列无人机控制元件分别用于机器人传感特征的读取、通讯信号的控制与基本指令的驱动；机器人的控制过程可以按照一定的逻辑通过图形化的方式进行元件组态来实现，控制过程可以被实时监控和干预。具体技术方案如下：

(一)本发明提供的四旋翼无人机图形化控制组态方法，在四旋翼无人机控制系统中内嵌了一种虚拟控制器，可作为无人机控制系统中间件，为移动机器人的开发提供图形化的开发环境，具备以下三个层次的功能，具体包括：

1、算法控制功能：可编程实现四旋翼无人机运动控制PID算法、室内导航分析等控制策略组态；2、数据传感功能：可读取四旋翼无人机声纳传感器开关元件、视觉传感器，惯性传感器模块的数据。3、运动驱动功能：可控制无人机的底层运动包括无人机在地面坐标系X,Y,Z方向的按照给定速度运动或按照给定距离运动模式。

(二)本发明通过一系列不同的机器人控制元件分别控制来实现机器人传感特征读取、通讯信号控制控制算法组图以及动力驱动的功能。

本发明中控制机器人传感特征的元件包括惯性传感器、声纳传感器开关元件、视觉数据读取元件；控制机器人通信特征的元件包括机器人通信元件、机器人启动元件；控制机器人驱动特征的元件包括向坐标系X,Y,Z方向的按照给定速度运动元件或按照给定距离运动元件。

例如：

所述声纳数据读取元件能够读取声纳传感器获取的距离测量值；

所述无人机通信元件可以使虚拟控制器与无人机之间建立通信连接关系；

所述地面坐标系X,Y,Z给速运动元件能够对无人机x,y,z方向的速度进行设置，同时可以按给定的速度进行运动。

（三）本发明提供的四旋翼无人机图形化控制组态方法，实现无人机控制算法的可视化，无人机控制过程的中间数据能够及时地显示在控制逻辑组态软件的界面中，控制过程可以被实时监控和干预，并且控制参数可以在线调整。

所述控制逻辑组态软件的功能就是组态无人机控制逻辑，该软件可集成无人机飞行控制软件所需的元件，并利用控制逻辑组态软件的图形化组态界面，控制组态元件构建控制策略，并将逻辑编程成控制站所需的格式，并可在线或者离线下载至无人机的虚拟控制器中。

本发明中控制逻辑组态上的各个控制元件的输入值与输出值能够及时地反馈到控制逻辑组态的界面中，并直观地显示在控制元件的两侧，使得用户能够对机器人控制过程的中间过程数据进行实时监控。本发明中用户还可以根据需要对机器人的控制过程进行在线软件重构。所述在线软件重构操作包括对控制元件进行增添、删除、替换以及更改元件间的逻辑导向关系。

本实例的一种四旋翼无人机的图形化控制组态方法，如图1所示，该方法的主要步骤如下：

（1）在四旋翼无人机控制系统中嵌入虚拟控制器

分析无人机控制系统的结构为x-86架构计算机或者arm架构计算机，并很据实际的计算系统设计相应结构的虚拟控制器，其中包括在虚拟控制器中包含了基本数据运算，内存管理，时间逻辑关系处理和外部设备驱动四种类型的软件机制的设计。

（2）建立虚拟控制器与无人机控制系统的通信连接

如图2所示，虚拟控制器在无人机控制系统中开辟内存区，对XML文件的解析得到无人机设备名称与编号，驱动类型，IP地址与端口号，读写操作指令，数据内存地址，数据长度，类型等。通用控制器内部配置Init_connect接口、Read_Data接口和Write_Data接口，分别用于驱动程序的初始化设置、调用设备状态反馈的驱动程序、以及调用设备控制的驱动程序，通过Read_Data接口调用设备状态反馈的驱动程序读取传感器数据存放至内存区中的特定地址，数据I/O模块可将内存区中的数据映射为控制策略软件中的输入元件，以便于用户实现图形化算法组态。同理，也可将控制逻辑中的输出元件映射至内存区中Write_Data对应的地址，根据根据解析XML文件解析调用控制程序程序并将控制输出数据发送至无人机中，从而实现机无人机控制。

（3）分析无人机的应用程序接口，设计控制元件的结构与参数

分析无人机的算法功能，并封装为算法控制元件，确定算法控制元件的输入、输出变量及其它控制参数的个数与类型，明确该元件的输入、输出变量间的函数关系。同时利用机器人系统提供了开发函数库，确定各元件对应的接口函数，并在组态软件中根据控制元件的结构和接口函数的调用方法完成控制元件的开发。

（4）图形化组态无人机控制逻辑

根据四旋翼无人机的实际应用的需要，设计运动场景，并以图形化的方式通过元件的组态来实现无人机的控制逻辑。所述元件包括无人机算法控制元件和基本控制元件。所述基本控制元件包括输入输出元件、基本函数发生元件、布尔逻辑元件、基础计算元件、常规控制元件等。算法元件元件通过步骤3进行设计；

例如，通过PID算法控制机器人按照地面坐标系沿X轴方向移动至指定位置为例，该过程需要PID元件，该元件的实现方法如图3所示。PID001元件内部集成了PID算法、算法的参数可通过界面配置，算法的输入值可以通过其他元件给定，输出值也可赋值于其他元件，LA511元件内部集成了无人机在地面坐标系下沿X轴方向方向移动函数的调用方法及上文的Write_Data接口。LA501元件内部集成了无人机的在地面坐标系下沿X轴方向位置读取函数的调用方法及上文的Read_Data接口，SG003元件表示了无人机的在地面坐标系下沿X轴方向的期望的运动位置。此时无人机便可以按照控制逻辑实现指定位置的导航运动。

（5）控制逻辑的下载，执行与监控

首先，通过XML文件配置好相关的参数，其次，将控制逻辑下载至四旋翼无人机的虚拟控制器中执行，当控制逻辑执行时，可以在控制逻辑组态的界面中对各个元件的计算过程进行实时监控，同时可在线修改元件中的参数。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种四旋翼无人机的图形化控制组态方法，其特征在于，将四旋翼无人机的动作特征分为传感特征、通讯特征和驱动特征，并提供相应的四旋翼无人机控制元件分别用于机器人传感特征的读取、通讯信号的控制与基本指令的驱动；四旋翼无人机的控制过程能够按照预定的逻辑通过图形化的方式进行元件组态来实现，且控制过程能够被实时监控和干预；该方法具体实现如下：

步骤S1、在四旋翼无人机控制系统中内嵌虚拟控制器：

分析四旋翼无人机控制系统的结构为x-86架构计算机或者arm架构计算机，并根据实际的计算系统设计相应结构的虚拟控制器，在虚拟控制器设计中包括基本数据运算、内存管理、时间逻辑关系处理和外部设备驱动四种类型的软件机制的设计；

步骤S2、建立虚拟控制器与四旋翼无人机控制系统的通信连接：

虚拟控制器在四旋翼无人机控制系统中开辟内存区，对XML文件的解析得到四旋翼无人机包括设备名称与编号、驱动类型、IP地址与端口号、读写操作指令、数据内存地址、数据长度、类型的信息；四旋翼无人机控制系统的通用控制器内部配置Init_connect接口、Read_Data接口和Write_Data接口，分别用于驱动程序的初始化设置、调用设备状态反馈的驱动程序、以及调用设备控制的驱动程序，通过Read_Data接口调用设备状态反馈的驱动程序读取传感器数据存放至内存区中的特定地址，数据I/O模块可将内存区中的数据映射为控制策略软件中的输入元件，以便于用户实现图形化算法组态；同理，也可将控制逻辑中的输出元件映射至内存区中Write_Data对应的地址，根据XML文件解析调用控制程序并将控制输出数据发送至四旋翼无人机中，从而实现四旋翼无人机控制；

步骤S3、分析四旋翼无人机的应用程序接口，设计控制元件的结构与参数：

分析四旋翼无人机的算法功能，并封装为算法控制元件，确定算法控制元件的输入、输出变量及其它控制参数的个数与类型，明确该元件的输入、输出变量间的函数关系；同时利用四旋翼无人机控制系统提供的开发函数库，确定各元件对应的接口函数，并在组态软件中根据控制元件的结构和接口函数的调用方法完成控制元件的开发；

步骤S4、图形化组态四旋翼无人机控制逻辑：

根据四旋翼无人机的实际应用的需要，设计运动场景，并以图形化的方式通过元件的组态来实现四旋翼无人机的控制逻辑；所述元件包括无人机算法控制元件和基本控制元件；所述基本控制元件包括输入输出元件、基本函数发生元件、布尔逻辑元件、基础计算元件、常规控制元件；其中，算法元件通过步骤S3设计；

步骤S5、控制逻辑的下载，执行与监控：

首先，通过XML文件配置好相关的参数，其次，将控制逻辑下载至四旋翼无人机的虚拟控制器中执行，当控制逻辑执行时，在控制逻辑组态的界面中对各个元件的计算过程进行实时监控，同时可在线修改元件中的参数。

Images