CN112631283A - 水空两栖无人航行器的控制系统及控制方法 - Google Patents
水空两栖无人航行器的控制系统及控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112631283A CN112631283A CN202011441520.8A CN202011441520A CN112631283A CN 112631283 A CN112631283 A CN 112631283A CN 202011441520 A CN202011441520 A CN 202011441520A CN 112631283 A CN112631283 A CN 112631283A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- module
- water
- aircraft
- rotor
- central controller
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 52
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 11
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 9
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 6
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 4
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims description 4
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 231100000716 Acceptable daily intake Toxicity 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000009194 climbing Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005358 geomagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
- G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
- G05D1/0206—Control of position or course in two dimensions specially adapted to water vehicles
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Abstract
本发明提供一种水空两栖无人航行器的控制系统，航行器包括船体、可倾转旋翼、固定旋翼，旋翼电机和舵机，可倾转旋翼对称设置在船体的前部，固定旋翼对称设置在船体的后部，可倾转旋翼和固定旋翼均由单独的旋翼单机驱动，舵机与可倾转旋翼传动连接，控制可倾转旋翼的倾角，控制系统包括中央控制器和与中央控制器连接的超声波模块、GPS模块、无线通信模块、电源模块、WiFi模块、十轴姿态解析模块、毫米波雷达模块、水空环境感应模块、旋翼电机驱动模块、舵机驱动模块和遥控模块。本发明提供的水空两栖无人航行器控制系统和控制方法可适配多种倾转类型水空两栖无人航行器。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种水空两栖无人航行器的控制系统及控制方法。
背景技术
随着我国对海洋和环境的重视，现有无人机与无人船已无法满足人们对于近海海洋资源开发、监测、勘探以及海上搜救的任务需求，无人机虽然效率很高，但只能提供侦察和监视工作，不能完成海上搜救任务；无人船虽然可以提供大量物资，但视野狭窄，无法充分了解和定位事件区域，巡航和救援的效率低下。所以迫切需要一种既能在空中飞行，又能在近海海域航行，具备海洋环境观测、海洋区域内巡航以及具有海上救援功能的设备，而水空两栖无人航行器同时具备的空中飞行、水中航行的特性为解决这一问题提供了可行思路。控制系统是水空两栖无人航行器的核心，是决定无人航行器能顺利进行水空模式过渡转化的关键。现有两栖无人飞机的控制系统适用对象单一，不能保证水空两种模式稳定的切换，同时缺少对周围环境的分析，从而导致作业过程效率低，灵活性差。所以有必要设计出一种水空两栖无人航行器的控制系统及方法，使得倾转类水空两栖无人航行器在水、空环境中过渡平稳，同时能够对周围水、陆环境进行识别。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，设计出一种水空两栖无人航行器的控制系统及方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为一种水空两栖无人航行器的控制系统，所述航行器包括船体、可倾转旋翼、固定旋翼，旋翼电机和舵机，所述可倾转旋翼对称设置在所述船体的前部，所述固定旋翼对称设置在所述船体的后部，所述可倾转旋翼和所述固定旋翼均由单独的所述旋翼单机驱动，所述舵机与所述可倾转旋翼传动连接，控制所述可倾转旋翼的倾角，所述控制系统包括中央控制器和与所述中央控制器连接的超声波模块、GPS模块、无线通信模块、电源模块、WiFi模块、十轴姿态解析模块、毫米波雷达模块、水空环境感应模块、旋翼电机驱动模块、舵机驱动模块和遥控模块，所述中央控制器处理各个模块所采集到的数据，根据设定和指令计算并控制相应的模块，所述超声波模块用于获得航行器与障碍物之间的距离，所述GPS模块用于获取航行器的经纬度和高度信息，所述无线通信模块用于航行器与上位机和所述遥控模块之间无线通讯，所述电源模块为所述旋翼电机和所述舵机供电，并通过所述中央控制器为各个模块供电，所述WiFi模块用于航行器接收调参控制指令，所述十轴姿态解析模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和气压计，用于采集航行器的姿态角和位置信息，所述毫米波雷达模块用于识别航行器当前所处环境，所述水空环境感应模块用于判定当前航行器所处的水空状态，所述旋翼电机驱动模块与所述旋翼电机连接，用于驱动所述旋翼电机，所述舵机驱动模块与所述舵机连接用于驱动所述舵机转动，所述遥控模块用于远程遥控。
进一步，所述水空环境感应模块采用液位传感器，两个所述液位传感器分别设置在所述船体前部和尾部的水线附近。
进一步，所述水空环境感应模块采用雨滴传感器，所述雨滴传感器设置在所述船体底部。
进一步，所述舵机也可采用步进电机通过蜗轮蜗杆及齿轮组驱动所述倾转旋翼实现倾转。
进一步，所述中央控制器采用STM32主控芯片，输出PWM控制信号给所述旋翼电机驱动模块从而控制所述旋翼电机的转速，输出PWM控制信号给所述舵机驱动模块从而控制所述舵机的转动。
进一步，所述超声波模块采用HC-SR04超声波模块；所述GPS模块采用ublox M8N双模GPS模块，同时支持GPS和北斗定位导航；所述无线通信模块采用NRF24L01无线数传模块，具有130us快速切换和唤醒时间，同时提供6个接收机的功能；所述电源模块采用大容量锂电池给所述旋翼电机和所述舵机供电，同时通过稳压模块给所述中央控制器供电；所述WiFi模块采用ESP8266WiFi模块，支持AP、STA、AP+STA三种共存模式，接收调参的控制指令；所述毫米波雷达模块采用K波段毫米波雷达NRA-24，测量精度为2cm。
本发明还提供上述水空两栖无人航行器的控制系统的控制方法，包括：
第一步、所述控制系统接收用户输入的控制指令，所述控制指令包括空中飞行模式、水上航行模式和自主转换模式三种类型；
第二步、所述控制系统判断接收到的控制指令的类型，当指令为空中飞行模式时，所述中央控制器通过所述舵机驱动模块控制所述舵机转动使得所述可倾转旋翼的倾角为0°，同时通过所述旋翼电机驱动模块控制所述旋翼电机的转速，使得航行器可以升空飞行；当指令为水上航行模式时，所述中央控制器通过所述舵机驱动模块控制所述舵机转动使得所述倾转旋翼的倾角为90°，控制位于所述船体前部的所述可倾转旋翼的所述旋翼电机的转速来改变航行器航行的速度以及轨迹，同时控制位于所述船体后部的所述固定旋翼用来增强航行器在水面的稳定性；当指令为自主转换模式时，所述中央控制器先判断航行器当前所处的状态，若航行器当前为水面状态，所述中央控制器根据所述超声波模块的检测信息以及规划的作业轨迹地理信息判断，如果所述超声波模块检测到前方有障碍物或者按规划的轨迹地理信息前方为陆地，则航行器转为空中飞行模式，否则依旧按照当前模式继续航行，若航行器当前为空中状态，所述中央控制器根据所述毫米波雷达模块回波信号探测到的水面信息与规划好的地理信息判断，如果两者显示的水域方位角信息相同，则航行器缓慢下降落到水面，然后航行器转为水上航行模式，否则依旧按照当前模式继续飞行。
进一步，当所述水空环境感应模块采用液位传感器时，位于所述船体前部和尾部的所述液位传感器均检测到液位信号时，所述中央控制器判定航行器处于水面状态，否则判定为空中状态；当所述水空环境感应模块采用雨滴传感器时，位于所述船体底部的所述雨滴传感器检测到信号液位时，所述中央控制器判定航行器处于水面状态，否则判定为空中状态。
进一步，当航行器由空中飞行模式转换为水上航行模式时，所述中央控制器先通过控制所述旋翼电机驱动模块控制所述旋翼电机的转速逐渐减小，使得航行器缓慢下降，当所述中央控制器通过所述水空环境感应模块判定航行器处于水面状态后，所述中央控制器通过所述舵机驱动模块控制所述舵机转动从而控制所述可倾转旋翼旋转。
进一步，所述中央控制器根据各个模块所采集到的数据以及设定的飞行姿态和航行轨迹计算出相应的输出，通过所述旋翼电机驱动模块控制所述旋翼电机的转速，通过所述舵机驱动模块和所述舵机的转动，从而控制所述可倾转旋翼的转速和倾角以及所述固定旋翼转速，从而获得想要的飞行和航行动作，所述中央控制器所采用的控制算法为PID算法，过渡过程采用的是增益调度控制算法。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明提供的水空两栖无人航行器控制系统和控制方法可适配多种倾转类型水空两栖无人航行器。
(2)本发明提供的水空两栖无人航行器控制系统可自主作业，通过使用毫米波雷达识别当前工作环境，自主切换运动模式，同时航行器通过设置的液位传感器或者雨滴传感器可确认当前工作环境。
(3)本发明提供的水空两栖航行器控制系统过渡过程采用增益调度控制算法，过渡过程平稳，有很好的控制效果。
附图说明
图1为本发明实施中航行器的结构示意图；
图2为本发明实施中步进电机倾转的结构示意图；
图3为本发明实施中控制系统的硬件模块示意图；
图4为本发明实施例中控制系统的模式选择流程图；
图中：1为中央控制器、2为超声波模块、3为GPS模块、4为无线通信模块、5为电源模块、6为WiFi模块、7为十轴姿态解析模块、8为毫米波雷达模块、9为环境感应模块、10为旋翼电机驱动模块、11为舵机驱动模块、12为遥控模块、14为船体、15为可倾转旋翼、16为固定旋翼、17为旋翼电机、18为舵机、19为步进电机。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
如图1和图2所示，一种水空两栖无人航行器的控制系统，所述航行器包括船体14、可倾转旋翼15、固定旋翼16，旋翼电机17和舵机18，所述可倾转旋翼15对称设置在所述船体14的前部，所述固定旋翼16对称设置在所述船体14的后部，所述可倾转旋翼15和所述固定旋翼16均由单独的所述旋翼单机17驱动，所述舵机18与所述可倾转旋翼15传动连接，控制所述可倾转旋翼15的倾角，所述控制系统包括中央控制器1和与所述中央控制器1连接的超声波模块2、GPS模块3、无线通信模块4、电源模块5、WiFi模块6、十轴姿态解析模块7、毫米波雷达模块8、水空环境感应模块9、旋翼电机驱动模块10、舵机驱动模块11和遥控模块12，所述中央控制器1处理各个模块所采集到的数据，根据设定和指令计算并控制相应的模块，所述超声波模块2用于获得航行器与障碍物之间的距离，所述GPS模块3用于获取航行器的经纬度和高度信息，所述无线通信模块4用于航行器与上位机和所述遥控模块12之间无线通讯，所述电源模块5为所述旋翼电机17和所述舵机18供电，并通过所述中央控制器1为各个模块供电，所述WiFi模块6用于航行器接收调参控制指令，所述十轴姿态解析模块7包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和气压计，集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，用于采集航行器的姿态角和位置信息，所述毫米波雷达模块8用于识别航行器当前所处环境，所述水空环境感应模块9用于判定当前航行器所处的水空状态，所述旋翼电机驱动模块10与所述旋翼电机17连接，用于驱动所述旋翼电机17，所述舵机驱动模块11与所述舵机18连接用于驱动所述舵机18转动，所述遥控模块12用于远程遥控。
所述水空环境感应模块9可以采用液位传感器，两个所述液位传感器分别设置在所述船体14前部和尾部的水线附近。所述液位传感器采用日本KEYENCE导向脉冲式液位传感器FL-C001，该型号液位感应不受环境中阻流部件影响，消除误检测，能够针对附着物自动进行调整，始终能够稳定检测。
所述水空环境感应模块9也可以采用雨滴传感器，所述雨滴传感器设置在所述船体14底部。所述雨滴传感器采用MH-RD雨滴传感器模块，使用宽电压LM393比较器，信号干净，波形好，驱动能力强，配电位器可调节灵敏度，在航行器的所述船体14底部的水线稍下位置引出所述雨滴传感器的两个圆形导电片，用于判断当前航行器所处的水空状态。
所述中央控制器1采用STM32主控芯片，输出PWM控制信号给所述旋翼电机驱动模块10从而控制所述旋翼电机17的转速，输出PWM控制信号或脉冲信号给所述舵机驱动模块11从而控制所述舵机18的转动。
所述超声波模块2采用HC-SR04超声波模块，其工作电压为5V，精度可达到0.3cm，探测距离最大7m左右，该模块采用I/O触发测距，用于获得航行器与障碍物之间的距离。所述船体14的周围分布着8个超声波传感器，以便能够全面的获取四周信息，实时获取障碍物与航行器的距离。
所述GPS模块3采用ublox M8N双模GPS模块，同时支持GPS和北斗定位导航，可输出当前航行器的经纬度和高度信息。
所述无线通信模块4采用NRF24L01无线数传模块，具有130us快速切换和唤醒时间，同时提供6个接收机的功能，在提供更高速数据传输同时，仅需要极小的电源消耗。
所述电源模块5采用大容量锂电池给所述旋翼电机17和所述舵机18供电，同时通过稳压模块给所述中央控制器1供电。
所述WiFi模块6采用ESP8266WiFi模块，支持AP、STA、AP+STA三种共存模式，接收调参的控制指令。
所述毫米波雷达模块8采用湖南纳雷科技有限公司研发的一款紧凑型K波段毫米波雷达NRA-24，测量精度为2cm，体积小巧、灵敏度高、重量轻、易于集成、性能稳定，不易受到地面杂波或主波束目标的干扰，用于识别航行器当前所处环境。所述毫米波雷模块8的雷达天线面朝下，获取安装在航行器上所述毫米波雷达模块8接收到的反射信号，反射信号为毫米波雷达传感器发送发射信号后在水面上反射形成的信号，提取反射信号中的信号特征，信号特征包括信噪比、角度信息及径向速度分辨率，信号特征用于表征反射信号的波动信息。不同材质类型的物体所反射的信号具有不同的波动范围，提取表征反射信号的波动信息的信号特征与水在毫米波雷达下反射信号的信号特征比较，如果物体反射信号的信号特征值在测得的水的反射信号的特征值阈值范围之内，则所述中央控制器1判断航行器下方为水域，开始缓慢下降，直至船底接触水面，否则继续保持当前飞行模式。
所述舵机18可以采用DS3230型大扭力舵机，其扭力大，精度高，虚位小，用于改变所述倾转旋翼15的倾角，实现航行器水空模式转换。
所述舵机18也可以采用步进电机通过蜗轮蜗杆及齿轮组驱动所述可倾转旋翼15实现倾转。具体采用Nology32-28蜗轮蜗杆减速步进电机，同时所述舵机驱动模块11采用Nology24V两相四线制混合式步进电机驱动器，其体积小，易安装。而且蜗轮蜗杆减速步进电机带有自锁功能，其驱动器有5种16细分的运行模式可选，同时提供节能的自动半流电流锁定功能，改变所述可倾转旋翼15的倾角，实现航行器水空模式转换。所述步进电机驱动器的PUL+，DIR+，EN+连接到STM32板子的输出电压上，脉冲输入信号通过PUL-接入，DIR-，EN-在低电平有效。通过单片机设置200脉冲数驱动蜗轮蜗杆减速步进电机转动一周，带动齿轮实现航行器前端的所述可倾转旋翼15倾转90°。
控制方法
上述水空两栖无人航行器的控制系统的控制方法，包括：
第一步、所述控制系统接收用户输入的控制指令，所述控制指令包括空中飞行模式、水上航行模式和自主转换模式三种类型；
第二步、所述控制系统判断接收到的控制指令的类型，当指令为空中飞行模式时，所述中央控制器1通过所述舵机驱动模块11控制所述舵机18转动使得所述可倾转旋翼15的倾角为0°，同时通过所述旋翼电机驱动模块10控制所述旋翼电机17的转速，使得航行器可以升空飞行；当指令为水上航行模式时，所述中央控制器1通过所述舵机驱动模块11控制所述舵机18转动使得所述可倾转旋翼15的倾角为90°，控制位于所述船体14前部的所述可倾转旋翼15的所述旋翼电机17的转速来改变航行器航行的速度以及轨迹，同时控制位于所述船体14后部的所述固定旋翼16用来增强航行器在水面的稳定性；当指令为自主转换模式时，所述中央控制器1先判断航行器当前所处的状态，若航行器当前为水面状态，所述中央控制器1根据所述超声波模块2的检测信息以及规划的作业轨迹地理信息判断，如果所述超声波模块2检测到前方有障碍物或者按规划的轨迹地理信息前方为陆地，则航行器转为空中飞行模式，否则依旧按照当前模式继续航行，若航行器当前为空中状态，所述中央控制器1根据所述毫米波雷达模块8回波信号探测到的水面信息与规划好的地理信息判断，如果两者显示的水域方位角信息相同，则航行器缓慢下降落到水面，然后航行器转为水上航行模式，否则依旧按照当前模式继续飞行。
当所述水空环境感应模块9采用液位传感器时，位于所述船体14前部和尾部的所述液位传感器均检测到液位信号时，所述中央控制器1判定航行器处于水面状态，否则判定为空中状态；当所述水空环境感应模块9采用雨滴传感器时，位于所述船体14底部的所述雨滴传感器检测到信号液位时，所述中央控制器1判定航行器处于水面状态，否则判定为空中状态。
当航行器由飞行模式转换为航行模式时，所述中央控制器1先通过控制所述旋翼电机驱动模块10控制所述旋翼电机17的转速逐渐减小，使得航行器缓慢下降，当所述中央控制器1通过所述水空环境感应模块9判定航行器处于水面状态后，所述中央控制器1通过所述舵机驱动模块11控制所述舵机18转动从而控制所述倾转旋翼旋转。
所述中央控制器1根据各个模块所采集到的数据以及设定的飞行姿态和航行轨迹计算出相应的输出，通过所述旋翼电机驱动模块10控制所述旋翼电机17的转速，通过所述舵机驱动模块11和所述舵机18的转动，从而控制所述可倾转旋翼15的转速和倾角以及所述固定旋翼16转速，从而获得想要的飞行和航行动作，所述中央控制器1所采用的控制算法为PID算法，过渡过程采用的是增益调度控制算法。
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成偏差e(t)＝r(t)-y(t)，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为
式中Kp是比例系数，TI是积分时间常数，TD是微分时间常数；其本质就是把采集到的数据与参考数据相减，然后把此差值应用到系统的输入值，系统输入值就会让系统数据达到或保持在设定的参考值范围内。
增益调度控制就是利用辅助变量测出环境或者被控对象自身的变化，然后利用补偿控制器补偿变化量所引起的系统性能的降低。但是增益调度控制很难给出一个通用的控制率，对于每种情况必须单独处理，而且需要辅助变量测量出故障、扰动及被控对象的变化。为了克服增益调度的这些局限性，采用插值算法实现增益调度控制的优化。
增益调度的插值实现通过将航行器过渡过程控制系统分为多个平衡工作点，每个平衡工作点处通过小扰动线性化方法得到线性模型，每个平衡点处设计线性控制器，最后利用插值拟合的方法使其成为参数可变的全局控制器，包括以下步骤：
1)对水空两栖航行器进行建模，同时建立跟随旋翼倾转的短舱坐标系；
2)过渡过程短舱坐标系与船体坐标系的夹角从0°转换至90°，将该过程每间隔5°选取一个平衡点，每个平衡点对应一个倾转角度，根据航行器在平衡点处受力和力矩平衡，可以得到所有平衡点处航行器的水平速度和推力达小；
3)对每个平衡点通过小扰动线性化方法得到线性模型，根据航行器爬升速度和高度误差设计高度控制器，确定增益系数，以倾转角度为调度变量，对系统的每个平衡点进行极点配置，得到每个参数的增益调度表；
4)通过地面计算，在线查表的方法，根据航行器不同的倾转角度，在平衡点之间通过内插值使航行器稳定。
如图3所示，航行器的所述模式选择包括飞行模式、航行模式和自主转换模式。其中，当满足飞行条件时，所述中央控制器1接收到上位机指令后，控制所述舵机18使所述可倾转旋翼15的倾角为0°，此时航行器以类四旋翼的方式飞行，通过控制四个旋翼的转速改变飞行姿态；当满足航行条件时，所述中央控制器1接收到上位机指令后，控制所述舵机18使所述可倾转旋翼15的倾角为90°，此时航行器以类风动船的方式航行，通过控制前端所述倾转旋翼16的转速来改变航行器航行的速度以及轨迹；当水陆环境复杂交错时，通过预先设置的飞行和航行轨迹地理信息与所述毫米波雷达模块8检测到的方位角和范围信息相比较，只有两者同时判定航行器下方为水域时，所述中央控制器1才会执行水上航行的指令，其它情况则使用空中飞行模式。
以上内容仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种水空两栖无人航行器的控制系统，所述航行器包括船体(14)、可倾转旋翼(15)、固定旋翼(16)，旋翼电机(17)和舵机(18)，所述可倾转旋翼(15)对称设置在所述船体(14)的前部，所述固定旋翼(16)对称设置在所述船体(14)的后部，所述可倾转旋翼(15)和所述固定旋翼(16)均由单独的所述旋翼单机(17)驱动，所述舵机(18)与所述倾转旋翼(15)传动连接，控制所述可倾转旋翼(15)的倾角，其特征在于：包括中央控制器(1)和与所述中央控制器(1)连接的超声波模块(2)、GPS模块(3)、无线通信模块(4)、电源模块(5)、WiFi模块(6)、十轴姿态解析模块(7)、毫米波雷达模块(8)、水空环境感应模块(9)、旋翼电机驱动模块(10)、舵机驱动模块(11)和遥控模块(12)，所述中央控制器(1)处理各个模块所采集到的数据，根据设定和指令计算并控制相应的模块，所述超声波模块(2)用于获得航行器与障碍物之间的距离，所述GPS模块(3)用于获取航行器的经纬度和高度信息，所述无线通信模块(4)用于航行器与上位机和所述遥控模块(12)之间无线通讯，所述电源模块(5)为所述旋翼电机(17)和所述舵机(18)供电，并通过所述中央控制器(1)为各个模块供电，所述WiFi模块(6)用于航行器接收调参控制指令，所述十轴姿态解析模块(7)包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和气压计，用于采集航行器的姿态角和位置信息，所述毫米波雷达模块(8)用于识别航行器当前所处环境，所述水空环境感应模块(9)用于判定当前航行器所处的水空状态，所述旋翼电机驱动模块(10)与所述旋翼电机(17)连接，用于驱动所述旋翼电机(17)，所述舵机驱动模块(11)与所述舵机(18)连接用于驱动所述舵机(18)转动，所述遥控模块(12)用于远程遥控。
2.根据权利要求1所述的一种水空两栖无人航行器的控制系统，其特征在于：所述水空环境感应模块(9)采用液位传感器，两个所述液位传感器分别设置在所述船体(14)前部和尾部的水线附近。
3.根据权利要求1所述的一种水空两栖无人航行器的控制系统，其特征在于：所述水空环境感应模块(9)采用雨滴传感器，所述雨滴传感器设置在所述船体(14)底部。
4.根据权利要求1所述的一种水空两栖无人航行器的控制系统，其特征在于：所述舵机(18)通过齿轮组驱动所述可倾转旋翼(15)实现倾转。
5.根据权利要求1所述的一种水空两栖无人航行器的控制系统，其特征在于：所述中央控制器(1)采用STM32主控芯片，输出PWM控制信号给所述旋翼电机驱动模块(10)从而控制所述旋翼电机(17)的转速，输出PWM控制信号或脉冲信号给所述舵机驱动模块(11)从而控制所述舵机(18)的转动。
6.根据权利要求1所述的一种水空两栖无人航行器的控制系统，其特征在于：所述超声波模块(2)采用HC-SR04超声波模块；所述GPS模块(3)采用ublox M8N双模GPS模块，同时支持GPS和北斗定位导航；所述无线通信模块(4)采用NRF24L01无线数传模块，具有130us快速切换和唤醒时间，同时提供6个接收机的功能；所述电源模块(5)采用大容量锂电池给所述旋翼电机(17)和所述舵机(18)供电，同时通过稳压模块给所述中央控制器(1)供电；所述WiFi模块(6)采用ESP8266WiFi模块，支持AP、STA、AP+STA三种共存模式，接收调参的控制指令；所述毫米波雷达模块(8)采用K波段毫米波雷达NRA-24，测量精度为2cm。
7.一种根据权利要求1至6任意一项所述的一种水空两栖无人航行器的控制系统的控制方法，其特征在于：
第一步、所述控制系统接收用户输入的控制指令，所述控制指令包括空中飞行模式、水上航行模式和自主转换模式三种类型；
第二步、所述控制系统判断接收到的控制指令的类型，当指令为空中飞行模式时，所述中央控制器(1)通过所述舵机驱动模块(11)控制所述舵机(18)转动使得所述可倾转旋翼(15)的倾角为0°，同时通过所述旋翼电机驱动模块(10)控制所述旋翼电机(17)的转速，使得航行器可以升空飞行；当指令为水上航行模式时，所述中央控制器(1)通过所述舵机驱动模块(11)控制所述舵机(18)转动使得所述可倾转旋翼(15)的倾角为90°，控制位于所述船体(14)前部的所述可倾转旋翼(15)的所述旋翼电机(17)的转速来改变航行器航行的速度以及轨迹，同时控制位于所述船体(14)后部的所述固定旋翼(16)用来增强航行器在水面的稳定性；当指令为自主转换模式时，所述中央控制器(1)先判断航行器当前所处的状态，若航行器当前为水面状态，所述中央控制器(1)根据所述超声波模块(2)的检测信息以及规划的作业轨迹地理信息判断，如果所述超声波模块(2)检测到前方有障碍物或者按规划的轨迹地理信息前方为陆地，则航行器转为空中飞行模式，否则依旧按照当前模式继续航行，若航行器当前为空中状态，所述中央控制器(1)根据所述毫米波雷达模块(8)回波信号探测到的水面信息与规划好的地理信息判断，如果两者显示的水域方位角信息相同，则航行器缓慢下降落到水面，然后航行器转为水上航行模式，否则依旧按照当前模式继续飞行。
8.根据权利要求7所述的一种水空两栖无人航行器的控制系统的控制方法，其特征在于：当所述水空环境感应模块(9)采用液位传感器时，位于所述船体(14)前部和尾部的所述液位传感器均检测到液位信号时，所述中央控制器(1)判定航行器处于水面状态，否则判定为空中状态；当所述水空环境感应模块(9)采用雨滴传感器时，位于所述船体(14)底部的所述雨滴传感器检测到信号液位时，所述中央控制器(1)判定航行器处于水面状态，否则判定为空中状态。
9.根据权利要求8所述的一种水空两栖无人航行器的控制系统的控制方法，其特征在于：当航行器由空中飞行模式转换为水上航行模式时，所述中央控制器(1)先通过控制所述旋翼电机驱动模块(10)控制所述旋翼电机(17)的转速逐渐减小，使得航行器缓慢下降，当所述中央控制器(1)通过所述水空环境感应模块(9)判定航行器处于水面状态后，所述中央控制器(1)通过所述舵机驱动模块(11)控制所述舵机(18)转动从而控制所述倾转旋翼旋转。
10.根据权利要求9所述的一种水空两栖无人航行器的控制系统的控制方法，其特征在于：所述中央控制器(1)根据各个模块所采集到的数据以及设定的飞行姿态和航行轨迹计算出相应的输出，通过所述旋翼电机驱动模块(10)控制所述旋翼电机(17)的转速，通过所述舵机驱动模块(11)和所述舵机(18)的转动，从而控制所述可倾转旋翼(15)的转速和倾角以及所述固定旋翼(16)转速，从而获得想要的飞行和航行动作，所述中央控制器(1)所采用的控制算法为PID算法，过渡过程采用的是增益调度控制算法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011441520.8A CN112631283A (zh) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | 水空两栖无人航行器的控制系统及控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011441520.8A CN112631283A (zh) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | 水空两栖无人航行器的控制系统及控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112631283A true CN112631283A (zh) | 2021-04-09 |
Family
ID=75309458
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011441520.8A Pending CN112631283A (zh) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | 水空两栖无人航行器的控制系统及控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112631283A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114019993A (zh) * | 2021-10-26 | 2022-02-08 | 江汉大学 | 一种便携式多地形无人机的控制方法 |
| CN114077258A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-02-22 | 江苏科技大学 | 一种基于强化学习ppo2算法的无人艇位姿控制方法 |
| CN116147698A (zh) * | 2023-01-04 | 2023-05-23 | 广东工业大学 | 一种水陆空多栖侦查的监测系统 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107697286A (zh) * | 2015-07-02 | 2018-02-16 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | 无人机、其控制系统及方法，以及无人机降落控制方法 |
| CN207291544U (zh) * | 2017-10-17 | 2018-05-01 | 青岛中邦防务智能装备有限公司 | 一种两栖无人船 |
| CN109358654A (zh) * | 2018-11-16 | 2019-02-19 | 江苏科技大学 | 一种水空两栖搜救支援无人飞行器系统 |
| CN111619768A (zh) * | 2020-05-31 | 2020-09-04 | 杭州捷驰科技有限公司 | 空降智能救生艇 |
| CN111823797A (zh) * | 2020-07-23 | 2020-10-27 | 江苏科技大学 | 一种涵道式可倾转水空两栖无人航行器 |
| CN211810135U (zh) * | 2020-03-20 | 2020-10-30 | 广东海洋大学 | 一种水空协作打捞装置 |
-
2020
- 2020-12-08 CN CN202011441520.8A patent/CN112631283A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107697286A (zh) * | 2015-07-02 | 2018-02-16 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | 无人机、其控制系统及方法，以及无人机降落控制方法 |
| CN207291544U (zh) * | 2017-10-17 | 2018-05-01 | 青岛中邦防务智能装备有限公司 | 一种两栖无人船 |
| CN109358654A (zh) * | 2018-11-16 | 2019-02-19 | 江苏科技大学 | 一种水空两栖搜救支援无人飞行器系统 |
| CN211810135U (zh) * | 2020-03-20 | 2020-10-30 | 广东海洋大学 | 一种水空协作打捞装置 |
| CN111619768A (zh) * | 2020-05-31 | 2020-09-04 | 杭州捷驰科技有限公司 | 空降智能救生艇 |
| CN111823797A (zh) * | 2020-07-23 | 2020-10-27 | 江苏科技大学 | 一种涵道式可倾转水空两栖无人航行器 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114019993A (zh) * | 2021-10-26 | 2022-02-08 | 江汉大学 | 一种便携式多地形无人机的控制方法 |
| CN114019993B (zh) * | 2021-10-26 | 2023-09-12 | 江汉大学 | 一种便携式多地形无人机的控制方法 |
| CN114077258A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-02-22 | 江苏科技大学 | 一种基于强化学习ppo2算法的无人艇位姿控制方法 |
| CN114077258B (zh) * | 2021-11-22 | 2023-11-21 | 江苏科技大学 | 一种基于强化学习ppo2算法的无人艇位姿控制方法 |
| CN116147698A (zh) * | 2023-01-04 | 2023-05-23 | 广东工业大学 | 一种水陆空多栖侦查的监测系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112631283A (zh) | 水空两栖无人航行器的控制系统及控制方法 | |
| CN109178305B (zh) | 一种水文监测水陆两栖无人机以及水文监测方法 | |
| Caffaz et al. | The hybrid glider/AUV Folaga | |
| McEwen et al. | Docking control system for a 54-cm-diameter (21-in) AUV | |
| CN108312151B (zh) | 漂流探测水下机器人装置及控制方法 | |
| EP4209856A1 (en) | Autonomous and assisted docking systems and methods | |
| CN109358654B (zh) | 一种水空两栖搜救支援无人飞行器系统 | |
| CN111596687A (zh) | 一种垂直起降无人机移动平台降落引导装置及其引导方法 | |
| WO2015134759A1 (en) | Sailing user interface systems and methods | |
| CN107065898A (zh) | 一种水下无人船航行控制方法及系统 | |
| CN111813133B (zh) | 一种基于相对精密单点定位的无人机舰船自主着陆方法 | |
| CN109131801A (zh) | 全海深无人潜水器的自主回收装置及控制方法 | |
| CN110696966B (zh) | 节能自守位声纳定位浮标及控制方法 | |
| CN107264813A (zh) | 一种尾坐式垂直起降飞行器飞行控制系统 | |
| CN107499508A (zh) | 一种空水多栖航行器 | |
| CN107539475B (zh) | 一种空水多栖航行器的控制方法 | |
| CN112180380B (zh) | 空中旋翼与螺旋桨协同驱动无人飞船超声水下探测方法 | |
| CN111026135A (zh) | 一种无人艇高性能航行前馈控制系统及其控制方法 | |
| CN112960078A (zh) | 一种无人帆船自动驾驶系统及其方法 | |
| CN111152923B (zh) | 一种基于垂直起降固定翼水陆两栖无人机的水下地形测量装置 | |
| EP3696078B1 (en) | A method and system for piloting an unmanned surface vessel | |
| Elkaim et al. | Station keeping and segmented trajectory control of a wind-propelled autonomous catamaran | |
| Arfianto et al. | Autopilot unmanned smart boat vehicle (ausv) communication with lora rfm95 | |
| CN206601624U (zh) | 一种水下无人船航行控制系统 | |
| CN113093737B (zh) | 水空两栖式全方位自主搜救舰队 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210409 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |