CN110134141A - 一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统 - Google Patents

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廖小罕
岳焕印
叶虎平
胡俊
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Tianjin Cas Uav Application Research Institute
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D1/08—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
    • G05D1/0808—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft
    • G—PHYSICS
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    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions
    • G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft
    • G05D1/102—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft specially adapted for vertical take-off of aircraft

Abstract

本发明是一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统，包括基于地面控制系统的PC控制终端和固定翼无人机，其特征在于，所述固定翼无人机的内部包括无人机飞控单元、摄像采集单元、地面管理单元和能源单元。本发明通过在无人机飞控单元中采用线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器，在摄像采集单元采用姿态传感器，内/外环控制采用线性二次调节器与比例积分微分相结合的技术来稳定固定翼无人机的飞行姿态，配合基于地面控制系统的PC控制终端，解决了内环角速度控制不稳和飞行安全性较差的问题，减少了飞行偏离飞行轨迹的情况，进而提高了飞行效率，同时满足了当前垂直起降固定翼自动控制无人机系统的使用需求。

Description

一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统
技术领域
本发明涉及无人机系统技术领域，尤其涉及一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统。
背景技术
无人驾驶飞机简称“无人机”，随着飞控技术、通信技术和电子技术的快速发展，无人机的性能不断增强、类型不断增多，使其在军用领域和民用领域中的应用需求不断增大。目前在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途，发达国家也积极扩展行业应用与发展无人机技术。
无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作，从技术角度定义无人机可以分为：无人固定翼飞机、无人垂直起降飞机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等，从机体结构来划分无人机，旋翼无人机和固定翼无人机是目前最常见的两大类，其中，固定翼无人机因其具有飞行速度大、效率高、航程远等优点而应用广泛。
固定翼无人机依靠引擎推动，引擎驱动产生平行于机身轴线的水平推力，使无人机可以在空中高速飞行。但是，由于引擎不能产生垂直于机身轴线的升力，所以固定翼无人机只能通过固定翼与空气间的相对运动来获得升力，以克服固定翼无人机的重力，升力的大小和固定翼与空气间的相对运动速度存在正相关关系，也就是说，相对运动速度越大，固定翼无人机所获得的升力也越大。
现有技术中，垂直起降固定翼自动控制无人机系统存在内环角速度控制不稳和飞行安全性较差的问题，使得飞行易偏离飞行轨迹，导致飞行效率相对较低，无法满足当前垂直起降固定翼自动控制无人机系统的使用需求。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，而提供一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统，包括基于地面控制系统的PC控制终端和固定翼无人机，其特征在于，所述固定翼无人机的内部包括无人机飞控单元、摄像采集单元、地面管理单元和能源单元，所述能源单元分别与所述无人机飞控单元、所述摄像采集单元、所述地面管理单元通过导线连接，
所述地面管理单元包括信号传输模块和数据模块，所述信号传输模块与所述数据模块连接，所述地面管理单元通过所述信号传输模块无线连接于所述基于地面控制系统的PC控制终端，
所述摄像采集单元包括姿态传感器和摄像头，所述摄像头与所述姿态传感器电连接，所述姿态传感器检测到所述固定翼无人机的倾角超过预设值时，所述无人机飞控单元调控所述固定翼无人机的飞行轨迹，
所述无人机飞控单元包括定位导航模块、线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器，所述定位导航模块通过导线和线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器连接，所述定位导航模块通过无线与所述地面管理单元连接，所述线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器通过导线与所述摄像采集单元连接。
作为优选，所述基于地面控制系统的PC控制终端为计算机或智能手机或平板电脑。
作为优选，所述摄像头采用全景摄像头或红外摄像头。
作为优选，所述姿态传感器采用欧拉角法或四元数法对固定翼无人机进行姿态采集。
作为优选，所述定位导航模块为北斗卫星导航系统、GPS导航系统、差分GPS导航系统或伽利略导航系统中的任意一种。
本发明的有益效果是：本发明提供一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统，通过在无人机飞控单元中采用线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器，在摄像采集单元采用姿态传感器，内/外环控制采用线性二次调节器与比例积分微分相结合的技术来稳定固定翼无人机的飞行姿态，配合基于地面控制系统的PC控制终端，解决了内环角速度控制不稳和飞行安全性较差的问题，减少了飞行偏离飞行轨迹的情况，进而提高了飞行效率，同时满足了当前垂直起降固定翼自动控制无人机系统的使用需求。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
以下将结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统，包括基于地面控制系统的PC控制终端和固定翼无人机，其特征在于，所述固定翼无人机的内部包括无人机飞控单元、摄像采集单元、地面管理单元和能源单元，所述能源单元分别与所述无人机飞控单元、所述摄像采集单元、所述地面管理单元通过导线连接，
所述地面管理单元包括信号传输模块和数据模块，所述信号传输模块与所述数据模块连接，所述地面管理单元通过所述信号传输模块无线连接于所述基于地面控制系统的PC控制终端，
所述摄像采集单元包括姿态传感器和摄像头，所述摄像头与所述姿态传感器电连接，所述姿态传感器检测到所述固定翼无人机的倾角超过预设值时，所述无人机飞控单元调控所述固定翼无人机的飞行轨迹，
所述无人机飞控单元包括定位导航模块、线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器，所述定位导航模块通过导线和线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器连接，所述定位导航模块通过无线与所述地面管理单元连接，所述线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器通过导线与所述摄像采集单元连接。
作为优选，所述基于地面控制系统的PC控制终端为计算机或智能手机或平板电脑。
作为优选，所述摄像头采用全景摄像头或红外摄像头。
作为优选，所述姿态传感器采用欧拉角法或四元数法对固定翼无人机进行姿态采集。
作为优选，所述定位导航模块为北斗卫星导航系统、GPS导航系统、差分GPS导航系统或伽利略导航系统中的任意一种。
实施例1
一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统，包括基于地面控制系统的PC控制终端和固定翼无人机，所述基于地面控制系统的PC控制终端为计算机，所述固定翼无人机的内部包括无人机飞控单元、摄像采集单元、地面管理单元和能源单元，所述能源单元分别与所述无人机飞控单元、所述摄像采集单元、所述地面管理单元通过导线连接，
所述地面管理单元包括信号传输模块和数据模块，所述信号传输模块与所述数据模块连接，所述地面管理单元通过所述信号传输模块无线连接于所述基于地面控制系统的PC控制终端，
所述摄像采集单元包括姿态传感器和摄像头，所述姿态传感器采用欧拉角法对固定翼无人机进行姿态采集，所述摄像头采用全景摄像头，所述摄像头与所述姿态传感器电连接，所述姿态传感器检测到所述固定翼无人机的倾角超过预设值时，所述无人机飞控单元调控所述固定翼无人机的飞行轨迹，
所述无人机飞控单元包括定位导航模块、线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器，所述定位导航模块通过导线和线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器连接，所述定位导航模块通过无线与所述地面管理单元连接，所述定位导航模块为北斗卫星导航系统，所述线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器通过导线与所述摄像采集单元连接。
实施例2
一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统，包括基于地面控制系统的PC控制终端和固定翼无人机，所述基于地面控制系统的PC控制终端为智能手机，所述固定翼无人机的内部包括无人机飞控单元、摄像采集单元、地面管理单元和能源单元，所述能源单元分别与所述无人机飞控单元、所述摄像采集单元、所述地面管理单元通过导线连接，
所述地面管理单元包括信号传输模块和数据模块，所述信号传输模块与所述数据模块连接，所述地面管理单元通过所述信号传输模块无线连接于所述基于地面控制系统的PC控制终端，
所述摄像采集单元包括姿态传感器和摄像头，所述姿态传感器采用四元数法对固定翼无人机进行姿态采集，所述摄像头采用红外摄像头，所述摄像头与所述姿态传感器电连接，所述姿态传感器检测到所述固定翼无人机的倾角超过预设值时，所述无人机飞控单元调控所述固定翼无人机的飞行轨迹，
所述无人机飞控单元包括定位导航模块、线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器，所述定位导航模块通过导线和线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器连接，所述定位导航模块通过无线与所述地面管理单元连接，所述定位导航模块为GPS导航系统，所述线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器通过导线与所述摄像采集单元连接。
实施例3
一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统，包括基于地面控制系统的PC控制终端和固定翼无人机，所述基于地面控制系统的PC控制终端为平板电脑，所述固定翼无人机的内部包括无人机飞控单元、摄像采集单元、地面管理单元和能源单元，所述能源单元分别与所述无人机飞控单元、所述摄像采集单元、所述地面管理单元通过导线连接，
所述地面管理单元包括信号传输模块和数据模块，所述信号传输模块与所述数据模块连接，所述地面管理单元通过所述信号传输模块无线连接于所述基于地面控制系统的PC控制终端，
所述摄像采集单元包括姿态传感器和摄像头，所述姿态传感器采用四元数法对固定翼无人机进行姿态采集，所述摄像头采用全景摄像头，所述摄像头与所述姿态传感器电连接，所述姿态传感器检测到所述固定翼无人机的倾角超过预设值时，所述无人机飞控单元调控所述固定翼无人机的飞行轨迹，
所述无人机飞控单元包括定位导航模块、线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器，所述定位导航模块通过导线和线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器连接，所述定位导航模块通过无线与所述地面管理单元连接，所述定位导航模块为差分GPS导航系统，所述线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器通过导线与所述摄像采集单元连接。
本发明使用时，通过在无人机飞控单元中采用线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器，在摄像采集单元采用姿态传感器，内/外环控制采用线性二次调节器与比例积分微分相结合的技术来稳定固定翼无人机的飞行姿态，配合基于地面控制系统的PC控制终端，解决了内环角速度控制不稳和飞行安全性较差的问题，减少了飞行偏离飞行轨迹的情况，进而提高了飞行效率，同时满足了当前垂直起降固定翼自动控制无人机系统的使用需求。
上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统，包括基于地面控制系统的PC控制终端和固定翼无人机，其特征在于，所述固定翼无人机的内部包括无人机飞控单元、摄像采集单元、地面管理单元和能源单元，所述能源单元分别与所述无人机飞控单元、所述摄像采集单元、所述地面管理单元通过导线连接，
所述地面管理单元包括信号传输模块和数据模块，所述信号传输模块与所述数据模块连接，所述地面管理单元通过所述信号传输模块无线连接于所述基于地面控制系统的PC控制终端，
所述摄像采集单元包括姿态传感器和摄像头，所述摄像头与所述姿态传感器电连接，所述姿态传感器检测到所述固定翼无人机的倾角超过预设值时，所述无人机飞控单元调控所述固定翼无人机的飞行轨迹，
所述无人机飞控单元包括定位导航模块、线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器，所述定位导航模块通过导线和线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器连接，所述定位导航模块通过无线与所述地面管理单元连接，所述线性二次调节器与比例积分微分结合的控制器通过导线与所述摄像采集单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统，其特征在于，所述基于地面控制系统的PC控制终端为计算机或智能手机或平板电脑。
3.根据权利要求1所述的一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统，其特征在于，所述摄像头采用全景摄像头或红外摄像头。
4.根据权利要求1所述的一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统，其特征在于，所述姿态传感器采用欧拉角法或四元数法对固定翼无人机进行姿态采集。
5.根据权利要求1所述的一种垂直起降固定翼自动控制无人机系统，其特征在于，所述定位导航模块为北斗卫星导航系统、GPS导航系统、差分GPS导航系统或伽利略导航系统中的任意一种。
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