CN110262564A - 一种小型化任务载荷系统、软件及挂载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化任务载荷系统，其包括地面控制软件和任务载荷主机，其中地面控制软件通信连接任务载荷主机；任务荷载主机获取飞行状态下目标区域视频图像信息，对目标进行识别和定位处理；地面控制软件用于接收和显示任务荷载主机获取的目标区域视频图像信息，地面控制软件设置有面板，根据地面控制软件面板操作指令对目标进行锁定、跟踪，向任务载荷发送定位指令，本发明将伺服控制系统和图像识别等智能控制技术相结合，设计一种低成本小型化任务载荷实训系统，本发明结构上进行小型化，方便安装在更小型的机型上，实现灵活多样的侦察任务，并且电机的控制更加的稳定和灵活。
Description
技术领域
本发明设计无人机技术领域，尤其涉及一种小型化任务载荷系统、软件及挂载装置。
背景技术
无人驾驶飞机简称“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，与有人驾驶飞机相比，无人机往往更适合那些太“愚钝，肮脏或危险”的任务，无人机按应用领域，可分为军用与民用。军用方面，无人机分为侦察机和靶机，民用方面，无人机+行业应用，是无人机真正的刚需；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。
随着无人机的普及，尤其是任务型无人机在各行各业的应用，使得其配套的任务载荷显得尤为重要，目前市场上任务载荷的体积和重量无法满足小型化需求，加之功能缺陷和成本居高不下，研发一种小型化高性价比的任务载荷应用于该类无人机成为市场必需。任务载荷作为训练无人机的重要组成部分，能够完成对目标发现、跟踪定位等功能，由于用于训练使用，对成本和小型化提出了很高要求，技术难度很大，本发明将伺服控制系统和图像识别等智能控制技术相结合，设计一种低成本小型化任务载荷实训系统。
发明内容
本发明将伺服控制系统和图像识别等智能控制技术相结合，设计一种低成本小型化任务载荷实训系统：
在第一方面，本发明提供一种小型化任务载荷系统，包括：
地面控制软件和任务载荷主机，其中地面控制软件通信连接任务载荷主机；
任务荷载主机获取飞行状态下目标区域视频图像信息，对目标进行识别和定位处理；
地面控制软件用于接收和显示任务荷载主机获取的目标区域视频图像信息，地面控制软件设置有面板，根据地面控制软件面板操作指令对目标进行锁定、跟踪，向任务载荷发送定位指令；
任务荷载主机包括连接架、回转台、拍摄组件、控制电路、传感组件、控制组件和控制盒，控制盒外部安装有连接架，控制盒内部设置有控制电路，回转台实现光电设备水平回转功能，回转台主要包括回转电机、水平码盘和回转电连接器
拍摄组件包括可见光视频拍摄设备和红外视频拍摄设备，可见光视频拍摄设备的设置参数包括快门速度、光圈、曝光补偿、白平衡、对焦方式、测光方式、拍摄格式、分辨率的至少一种；
控制电路由小型电机直驱控制核心模块、小型微芯片图像采集和智能识别跟踪模块组成；
小型电机直驱控制核心模块由光纤陀螺、调理电路、电机控制和反馈并循环电路组成，电机控制包括位置环、速度环、电流环；
最内环是电流环，电流环的输入是速度环调节后的输出，电流环的输入值和电流环的反馈并循环值进行比较后的差值在电流环内做调节输出给电机；
中间环是速度环，速度环的输出为电流环的设定，速度环的输入是位置环调节后的输出；
最外环是位置环，位置环的输入为智能识别跟踪模块的输出。
在第二方面，本发明还提供了一种主控单元软件，主控制软件单元流程包括：
MCU主控芯片初始化；MEMS姿态传感器初始化；姿态参数自动校准；位置环参数自动校准；速度环参数校准；电流环参数校准；姿态反解算；产生PWM控制信号；等中断，当中断成功时执行中断服务程序，中断服务程序对等中断进行反馈并循环，当中断不成功时继续执行等中断步骤；
读取MPU数据；
依据RC指令进行校正，当执行RC指令时位置环校正，当不执行RC指令时位置环自动校正；
速度环校正；
执行控制算法；
PWM信号输出；
中断结束。
在第三方面，本发明还提供一种飞行器，飞行器用于挂载任务载荷主机。
本发明公开了一种小型化任务载荷系统，与现有技术相比：其一，稳定性设计：任务载荷具有对运动目标的捕获和实时跟踪定位功能，具有良好的稳定性和跟踪能力，确保引导对侦察目标的跟踪和定位；其二，小型化设计：任务载荷总重量控制在1Kg以内，并在结构上可以进一步小型化，方便安装在更小的机型上，实现灵活多样的侦察任务；其三，快速反应：任务载荷工作展开时间短，开机初始化10秒即可进入工作状态，目标识别、定位解算和下发地面站可在100毫秒内完成；其四，灵活集成设计：系统集成高精度传感器并提供外接传感器接口，可以根据具体要求实现高精度定位需求，满足训练任务的需求。
附图说明
图1是任务载荷平台控制电路框图；
图2是电机控制框图；
图3是主控程序流程图；
图4是外部中断子程序流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本申请具体实施例作进一步的详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法，虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
图1给出了本申请实施例提供的一种小型化任务载荷实训系统的流程图，本发明提供一种小型化任务载荷系统，包括：地面控制软件和任务载荷主机，其中地面控制软件通信连接任务载荷主机；
任务荷载主机获取飞行状态下目标区域视频图像信息，对目标进行识别和定位处理；
地面控制软件用于接收和显示任务荷载主机获取的目标区域视频图像信息，地面控制软件设置有面板，根据地面控制软件面板操作指令对目标进行锁定、跟踪，向任务载荷发送定位指令；
任务荷载主机包括连接架、回转台、拍摄组件、控制电路、传感组件、控制组件和控制盒，控制盒外部安装有连接架，控制盒内部设置有控制电路；
拍摄组件包括可见光视频拍摄设备和红外视频拍摄设备，可见光视频拍摄设备的设置参数包括快门速度、光圈、曝光补偿、白平衡、对焦方式、测光方式、拍摄格式、分辨率的至少一种；
控制电路由小型电机直驱控制核心模块、小型微芯片图像采集和智能识别跟踪模块组成；
小型电机直驱控制核心模块主要由光纤陀螺、调理电路、电机控制、反馈电路等部分组成，各部分说明如下：
a)由二维高精度、低温漂的光纤陀螺作为感知任务载荷平台角速度变化的传感元件，其信号经适当的信号调理在保证陀螺带宽的前提下，尽量消除噪声；
b)配合高速高精度A/D，在满足陀螺精度满足运算速度的前提下，提供足够快的采样率；
c)电机控制处理器经校正函数计算后给出最终驱动控制，校正函数在不超调的前提下给出尽量大的开环增益，并设计合适的滞后超前校正函数，通过实验确定调节量。实时调节部分非线性及微量偏差累积值；
d)要求足够高的运算能力以保证实时给出每个PWM脉冲的调节控制，以满足稳定精确及跟踪精确的要求；
e)二维高精度角位移传感器及电机实时电流传感器提供微量偏差累积及实时实际驱动状态；
f)采用光电耦合器件隔离驱动电路噪声，驱动电路要求有足够低的导通电阻以及对每个PWN脉冲的控制能力，这也要求驱动电路对H桥的每个MOS管可实现单独控制；
g)电路设计时传感及调理电路充分考虑地线布线的分布参数的影响以保证模拟信号的信噪比；
图2是电机控制框图，其中的位置环、速度环、电流环均是一个PID调节器；
最内环是电流环，电流环的输入是速度环调节后的输出，电流环的输入值和电流环的反馈值进行比较后的差值在电流环内做调节输出给电机。
中间环是速度环，速度环的反馈来自光纤陀螺信号，速度环的输出就是电流环的设定，所以速度环控制时包含了速度环和电流环两个环节。速度环的输入是位置环调节后的输出，速度设定和速度环反馈值进行比较后的差值在速度环内做调节(主要是比例增益和积分处理)，其输出即为电流环的给定。
最外环是位置环，位置环的输入是图像跟踪模块的输出，位置环的反馈值是光纤陀螺信号的积分，两者之差再经过位置环的调节后输出速度环的设定值。在位置控制模式下，系统需要进行三环的运算，此时系统的运算量最大，动态响应速度也最慢。
该控制算法以其计算量小、实时性好、易于实现等特点广泛应用于过程控制。当被控对象是线性时不变模型时，只要正确设定参数P、I和D，PID控制器便可实现其作用，但是对于非线性、时变性等不确定性因素，常规PID控制效果不理想。由于加工装配精度问题，传动副很难做到各个位置上性能高度一致，因此，常规PID控制器的参数KP、KI和KD在不同的工况下一般应该有所不同，才能取得好的控制效果，这就要求PID控制器具有参数自适应功能。
在第二方面，本发明还提供了一种主控单元软件，主控单元软件完成的主要功能有：对主控处理器I/O口、定时器、串行通信、IIC协议、MPU姿态传感器内存储器、位置参数、速度参数、控制参数以及中断向量和优先级进行初始化；确定机载云台在惯性空间内的坐标位置，输出PWM信号驱动电机达到预先设定位置等，主控程序软件流程图如图3所示；
在每个控制周期内，外部中断子程序需要完成以下工作：一、对陀螺仪和加速度计输出信号进行采集；二、根据RC指令，完成相应位置环的校正运算；三、完成速度环和稳定环的校正运算；四、执行PID控制算法；五、生成PWM信号驱动直流电机，因此，外部中断子程序流程如图4所示，外部中断的步骤如下：
读取MPU数据；
依据RC指令进行校正，当执行RC指令时位置环校正，当不执行RC指令时位置环自动校正；
速度环校正；
执行控制算法；
PWM信号输出；
中断结束。
本发明还提供一种飞行器，飞行器用于挂载任务载荷主机。
上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行的各种明显变化、重新调整及替代均不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由权利要求的范围决定。
Claims (10)
1.一种小型化任务载荷系统，安装在飞行器上，其特征在于，包括：
地面控制软件和任务载荷主机，其中所述地面控制软件通信连接所述任务载荷主机；
所述任务荷载主机获取飞行状态下目标区域视频图像信息，对目标进行识别和定位处理；
所述地面控制软件用于接收和显示所述任务荷载主机获取的目标区域视频图像信息，所述地面控制软件设置有面板，根据所述地面控制软件面板操作指令对目标进行锁定、跟踪，向任务载荷发送定位指令。
2.根据权利要求1所述的小型化任务载荷系统，其特征在于，所述任务荷载主机包括连接架、回转台、拍摄组件、控制电路、传感组件、控制组件和控制盒，所述控制盒外部安装有连接架，所述控制盒内部设置有控制电路，所述回转台实现光电设备水平回转功能，回转台主要包括回转电机、水平码盘和回转电连接器。
3.根据权利要求2所述的小型化任务载荷系统，其特征在于，所述拍摄组件包括可见光视频拍摄设备和红外视频拍摄设备，所述可见光视频拍摄设备的设置参数包括快门速度、光圈、曝光补偿、白平衡、对焦方式、测光方式、拍摄格式、分辨率的至少一种。
4.根据权利要求2所述的任务载荷平台总体控制系统，其特征在于，所述控制电路由小型电机直驱控制核心模块、小型微芯片图像采集和智能识别跟踪模块组成。
5.根据权利要求4所述的小型化任务载荷实训系统，其特征在于，所述小型电机直驱控制核心模块由光纤陀螺、调理电路、电机控制组成。
6.根据权利要求5所述的小型化任务载荷实训系统，其特征在于，所述电机控制包括位置环、速度环、电流环；
最内环是电流环，电流环的输入是速度环调节后的输出，电流环的输入值和电流环的反馈并循环值进行比较后的差值在电流环内做调节输出给电机；
中间环是速度环，速度环的输出为电流环的设定，速度环的输入是位置环调节后的输出；
最外环是位置环，位置环的输入为智能识别跟踪模块的输出。
7.一种主控单元软件，其特征在于，所述主控单元软件对如权利要求1～6任一项所述任务荷载主机进行控制。
8.如权利要求7所述的主控制软件单元，其特征在于，主控制软件单元工作流程包括：
MCU主控芯片初始化；MEMS姿态传感器初始化；姿态参数自动校准；位置环参数自动校准；速度环参数校准；电流环参数校准；姿态反解算；产生PWM控制信号；等中断，当中断成功时执行中断服务程序，中断服务程序对等中断进行反馈并循环，当中断不成功时继续执行等中断步骤。
9.如权利要求8所述的主控制软件单元，其特征在于，所述中断为外部中断，所述外部中断的步骤如下：
读取MPU数据；
依据RC指令进行校正，当执行RC指令时位置环校正，当不执行RC指令时位置环自动校正；
速度环校正；
执行控制算法；
PWM信号输出；
中断结束。
10.一种飞行器，其特征在于，所述飞行器用于挂载如权利要求1～6任一所述任务载荷主机。
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