CN112817322A - 一种头戴式无人直升机控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种头戴式无人直升机控制系统及其控制方法，包括机载单元和地面站系统；机载单元包括飞行处理器、传感器模块、内置算法模块、无线传输模块、遥控接收机和用于实时跟踪对准目标物的执行机构，地面控制单元包括测控终端，测控终端包括PC控制台、头控器、手控器及路由器，机载单元通过遥控信号接收机、无线传输模块与地面站系统通讯，通过头控器与所述机载单元形成的云台精密控制模块，形成一整套无人机云台精密控制解决方案，满足交互精度、速度及范围最优，操作更加便捷，控制传输距离仅跟无人机数据链通信距离有关，突破传统和现有遥控器传输距离受限的特点。
Description
【技术领域】
本发明涉及无人机控制技术，尤其是一种头戴式无人直升机控制系统及其控制方法。
【背景技术】
无人直升机是一个多学科交叉耦合的具有挑战性的前沿研究方向，涉及带无人直升机的机械结构、空气动力学、飞行动力学、系统建模、传感器数据融合、捷联导航系统、嵌入式系统等领域。一套完整的无人直升机控制平台由航空电子系统、导航系统、地面站系统组成：
1.航空电子系统是无人直升机的基本组件，主要分为硬件系统、软件系统。硬件系统至少有一个MCU或计算机系统及相关的扩展板组成，实现在线分析飞行数据、运行控制算法、与地面站通信、记录必要的飞行数据。
2.导航系统由航姿参考系统、位置参考系统组成，其中的航姿参考系统向航空电子系统提供飞行必要的飞行姿态数据，位置参考系统提供飞行器实际所在位置的相关信息。
3.地面站系统由地面站软件以及无线通讯设备组成，通过无线通讯设备与无人直升机交互信息，实时监测无人直升机的。
但是，当前市场上的遥控模型直升机工作在信号直通的方式，即操纵手通过控制手机或手持平板遥控器发出信号，透过体感方式操作无人机；和传统的遥控器相比，手机/平板遥控更小巧、轻便，因为是透过体感操作，所以也更加上手；但手机/平板遥控也存在一些缺点，比如信号很不稳定、长距离飞行很容易断线(在市郊空旷环境，一般在50-100米左右就会断线)，这会很大程度影响飞行体验；而且，它的操作虽然比较直观，但要完成很精确的动作，却比较困难，换而言之，就是“易学难精”。部分直升机还配有机载陀螺仪，能增加一定的阻尼，便于控制。而且，传统的遥控器虽然比较笨重、操作不够轻便，也更难上手，控制无人机吊舱跟踪时候，但它的信号稳定性强，而且遥控距离也更远(一般遥控范围在100米或以上)。
另外，现有手控的工作方式简单方便，但带来一个问题：遥控模型直升机控制难度大，且无法实现自主飞行。直升机与固定翼飞机相比，气动特性更加复杂，动特性都是不稳定的，并且各个通道间存在很强的轴间耦合，且现有技术中直升机控制系统体积及重量大，不便于安装，且成本较高。
【发明内容】
本发明提供一种头戴式无人直升机控制系统及其控制方法，采用头盔和手控组合方式的控制，解决了直升机控制系统体积重量大不方便安装及成本高的问题，具有精调微控功能，操作更加便捷，控制传输距离仅跟无人机数据链通信距离有关，突破传统和现有遥控器传输距离受限的特点。
为达到上述明目的，采用的技术方案如下：
一种头戴式无人直升机控制系统，包括机载单元和地面站系统；
所述机载单元包括飞行处理器、传感器模块、内置算法模块、无线传输模块、遥控接收机和用于实时跟踪对准目标物的执行机构，内置算法模块包括姿态解算算法、数据融合算法和飞行控制算法，所述飞行处理器与内置算法模块之间采用有线连接或\和无线连接；
所述地面控制单元包括具有无线传输功能的测控终端，所述测控终端包括PC控制台、头控器、手控器及路由器，所述地面控制单元通过无线通讯模块与所述机载单元的飞行处理器通讯连接；
所述机载单元通过遥控信号接收机、无线传输模块与所述地面站系统通讯，获取头控器和手控器的控制信号、PC控制台的控制命令以及将实时的飞行位置姿态等数据发送到地面站系统，以供实时监测无人直升机的飞行状态；
所述传感器模块实时采集直升机的姿态数据、高度数据、速度数据，并将采集到的数据分别发送至飞行处理器和内置算法模块，并通过无线传输模块或有线连接将数据传输至所述PC控制台，将数据处理后定时发送至遥控接收机，遥控接收机接收遥控器信号传输至飞行处理器和内置算法模块，所述飞行处理器对接收的信号处理后分别输出至执行机构，控制执行机构工作。
进一步地，所述头控器由穿戴于头部的头盔设备和惯导设备组成，所述惯导设备包括IMU惯性测量传感器和compass磁罗盘，所述IMU惯性测量传感器由三个加速度计和三个陀螺仪组成的组合单元，三个加速度计和三个陀螺仪安装在互相垂直的测量轴上，进行六自由度姿态感知、并将感知到的数据存放入所述机载单元的内置算法模块中，解算出无人机云台控制的横摇、俯仰、偏航角度姿态，以及进行加密后通过无线传输或\和有线传输给所述地面控制单元的PC控制台。
进一步地，所述手控器包括采用双手控制的手柄、安装于手柄上的电子罗盘和安装于手柄上的GPS定位器。
进一步地，所述机载单元上的执行机构包括无人机挂载机枪和无人机挂载吊舱。
一种头戴式无人直升机控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1，根据三维电子罗盘和加速度的输出求取姿态角，如公式(1)所示：
其中，姿态角度为横滚roll和俯仰pitch，横向加速度为ax、纵向加速度为ay、垂向加速度为az；
将机体坐标系相对地理坐标系的方位为机体的姿态，设θ、φ、ψ分别为机体的横滚角、俯仰角和航向角，三轴磁分量数据为mx、my、mz，则机体坐标系于地理坐标系间的转换矩阵如下：
步骤S2，根据姿态角信息与电子罗盘的三轴磁力数据、求取计算偏航角所需的参数，如公式(3)所示：
公式(3)中：Xh、Yh、Zh分别为机体水平姿态角为零时的磁场在机体坐标系Xb、Yb、Zb方向的分量，则航向角可以用如下公式(4)计算得到：
根据Xh、Yh数值一般的变化范围可以得到公式(5)和公式(6)：
步骤S3，航向角就可以通过
求得，所以姿态角如公式(7)所示：
步骤S4，根据姿态角α、β、γ，可以求得对应的无人直升机的四元数如公式(8)所示：
步骤S5，根据四元数求取转换矩阵，如公式(9)和公式(10)所示：
步骤S6，对罗盘输出的数据进行归一化处理，如公式(11)所示：
步骤S7，由电子罗盘的输出计算地球磁场的参考方向，如公式(12)和公式(13)所示：
步骤S8，估计磁场方向，如公式(14)所示：
步骤S9，估计方位和量测方位向量叉乘之后累积，如公式(15)所示：
步骤S10，归一化加速度计输出，如公式(16)所示：
步骤S11，计算重力和磁场的方位，如公式(17)所示：
步骤S12，估计方位和量测方位向量叉乘后累积，如公式(18)所示：
步骤S13，对陀螺仪输出的角速度进行修正，如公式(19)所示：
步骤S14，通过修正后的角速度与四元数计算四元数的导数，如公式(20)所示：
步骤S15，积分四元数的导数得到新的四元数，如公式(21)所示：
步骤S16，姿态转换阵如公式(22)所示：
步骤S17，姿态角如公式(23)所示：
以上述控制律进行小型无人直升机的姿态控制。
本发明的优点：
本发明的机载单元包括飞行处理器、传感器模块、内置算法模块、无线传输模块、遥控接收机和用于实时跟踪对准目标物的执行机构，地面控制单元包括测控终端，测控终端包括PC控制台、头控器、手控器及路由器，机载单元通过遥控信号接收机、无线传输模块与地面站系统通讯，通过头控器与所述机载单元形成的云台精密控制模块，形成一整套无人机云台精密控制解决方案，满足交互精度、速度及范围最优，操作更加便捷，控制传输距离仅跟无人机数据链通信距离有关，突破传统和现有遥控器传输距离受限的特点。
通过头控器与所述机载单元形成的云台精密控制模块，形成一整套无人机云台(或者火控)精密控制解决方案，在有线传输时通过数据线路直接与地面站系统连接，人戴上头控器看地面站显示的图像，根据不同任务，无人机挂载不同载荷，常用吊舱和武器，每种都需要云台进行控制，使用手控遥控器对云台先进行大角度调试，在使用头控器进行微调。满足交互精度、速度及范围最优，操作更加便捷，控制传输距离仅跟无人机数据链通信距离有关，突破传统和现有遥控器传输距离受限的特点。
以及利用无人机挂载吊舱的变焦，通过云台控制姿态，无人机挂载机枪通过头控器可将武器打击精度从半径为5米左右的范围，精调到0.5米，实现无人机云台挂载设备的精调微控。
【说明书附图】
图1是本发明的无人直升机控制平台系统示意图；
图2是本发明的无人直升机硬件结构框图。
【具体实施方式】
下面通过具体实例对本发明的内容作进一步的说明。
一种头戴式无人直升机控制系统，如图1和图2所示，包括机载单元1和地面站系统2；该机载单元1包括飞行处理器、传感器模块、内置算法模块、无线传输模块、遥控接收机和用于实时跟踪对准目标物的执行机构，该目标物包括枪械、战车、假想敌、桥梁和碉堡；内置算法模块包括姿态解算算法、数据融合算法和飞行控制算法，飞行处理器与内置算法模块之间采用有线连接和无线连接。
继续如图1和图2所示，该地面控制单元包括具有无线传输功能的测控终端，测控终端包括PC控制台、头控器、手控器及路由器，地面控制单元通过无线通讯模块与机载单元的飞行处理器通讯连接。
该机载单元通过遥控信号接收机、无线传输模块与所述地面站系统通讯，获取头控器和手控器的控制信号、PC控制台的控制命令以及将实时的飞行位置姿态等数据发送到地面站系统，以供实时监测无人直升机的飞行状态；传感器模块实时采集直升机的姿态数据、高度数据、速度数据，并将采集到的数据分别发送至飞行处理器和内置算法模块，并通过无线传输模块或有线连接将数据传输至所述PC控制台，将数据处理后定时发送至遥控接收机，遥控接收机接收遥控器信号传输至飞行处理器和内置算法模块，所述飞行处理器对接收的信号处理后分别输出至执行机构，控制执行机构工作。
其中，手控器包括采用双手控制的手柄、安装于手柄上的电子罗盘和安装于手柄上的GPS定位器。头控器由穿戴于头部的头盔设备和惯导设备组成，所述惯导设备包括IMU惯性测量传感器和compass磁罗盘，IMU惯性测量传感器由三个加速度计和三个陀螺仪组成的组合单元，三个加速度计和三个陀螺仪安装在互相垂直的测量轴上，进行六自由度姿态感知、并将感知到的数据存放入所述机载单元的内置算法模块中，解算出无人机云台控制的横摇、俯仰、偏航角度姿态，以及进行加密后通过无线传输或\和有线传输给所述地面控制单元的PC控制台。通过头控器与机载单元形成的云台精密控制模块，形成一整套无人机云台(或者火控)精密控制解决方案，在有线传输时通过数据线路直接与地面站系统连接，人戴上头控器看地面站显示的图像，根据不同任务，无人机挂载不同载荷，常用吊舱和武器，每种都需要云台进行控制，使用手控遥控器对云台先进行大角度调试，在使用头控器进行微调。满足交互精度、速度及范围最优，操作更加便捷，控制传输距离仅跟无人机数据链通信距离有关，突破传统和现有遥控器传输距离受限的特点。
而且，机载单元上的执行机构包括无人机挂载机枪和无人机挂载吊舱，利用无人机挂载吊舱的变焦，通过云台控制姿态，无人机挂载机枪通过头控器精调到0.5米，可将武器打击精度从半径为5米左右的范围，实现无人机云台挂载设备的精调微控。
该头戴式无人直升机控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1，根据三维电子罗盘和加速度的输出求取姿态角，如公式(1)所示：
其中，姿态角度为横滚roll和俯仰pitch，横向加速度为ax、纵向加速度为ay、垂向加速度为az；
将机体坐标系相对地理坐标系的方位为机体的姿态，设θ、φ、ψ分别为机体的横滚角、俯仰角和航向角，三轴磁分量数据为mx、my、mz，则机体坐标系于地理坐标系间的转换矩阵如下：
步骤S2，根据姿态角信息与电子罗盘的三轴磁力数据、求取计算偏航角所需的参数，如公式(3)所示：
公式(3)中：Xh、Yh、Zh分别为机体水平姿态角为零时的磁场在机体坐标系Xb、Yb、Zb方向的分量，则航向角可以用如下公式(4)计算得到：
根据Xh、Yh数值一般的变化范围可以得到公式(5)和公式(6)：
步骤S3，航向角就可以通过
求得，所以姿态角如公式(7)所示：
步骤S4，根据姿态角α、β、γ，可以求得对应的无人直升机的四元数如公式(8)所示：
步骤S5，根据四元数求取转换矩阵，如公式(9)和公式(10)所示：
步骤S6，对罗盘输出的数据进行归一化处理，如公式(11)所示：
步骤S7，由电子罗盘的输出计算地球磁场的参考方向，如公式(12)和公式(13)所示：
步骤S8，估计磁场方向，如公式(14)所示：
步骤S9，估计方位和量测方位向量叉乘之后累积，如公式(15)所示：
步骤S10，归一化加速度计输出，如公式(16)所示：
步骤S11，计算重力和磁场的方位，如公式(17)所示：
步骤S12，估计方位和量测方位向量叉乘后累积，如公式(18)所示：
步骤S13，对陀螺仪输出的角速度进行修正，如公式(19)所示：
步骤S14，通过修正后的角速度与四元数计算四元数的导数，如公式(20)所示：
步骤S15，积分四元数的导数得到新的四元数，如公式(21)所示：
步骤S16，姿态转换阵如公式(22)所示：
步骤S17，姿态角如公式(23)所示：
以上述控制律进行小型无人直升机的姿态控制。
通过采用头盔和手控组合方式的控制，结合上述控制律进行小型无人直升机的姿态控制，具有精调微控功能，操作更加便捷，控制传输距离仅跟无人机数据链通信距离有关，突破传统和现有遥控器传输距离受限的特点。
以上所述实施例只是为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，除了具体实施例中列举的情况外；凡依本发明之方法及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种头戴式无人直升机控制系统，包括机载单元和地面站系统；其特征在于：
所述机载单元包括飞行处理器、传感器模块、内置算法模块、无线传输模块、遥控接收机和用于实时跟踪对准目标物的执行机构，内置算法模块包括姿态解算算法、数据融合算法和飞行控制算法，所述飞行处理器与内置算法模块之间采用有线连接或\和无线连接；
所述地面控制单元包括具有无线传输功能的测控终端，所述测控终端包括PC控制台、头控器、手控器及路由器，所述地面控制单元通过无线通讯模块与所述机载单元的飞行处理器通讯连接；
所述机载单元通过遥控信号接收机、无线传输模块与所述地面站系统通讯，获取头控器和手控器的控制信号、PC控制台的控制命令以及将实时的飞行位置姿态等数据发送到地面站系统，以供实时监测无人直升机的飞行状态；
所述传感器模块实时采集直升机的姿态数据、高度数据、速度数据，并将采集到的数据分别发送至飞行处理器和内置算法模块，并通过无线传输模块或有线连接将数据传输至所述PC控制台，将数据处理后定时发送至遥控接收机，遥控接收机接收遥控器信号传输至飞行处理器和内置算法模块，所述飞行处理器对接收的信号处理后分别输出至执行机构，控制执行机构工作。
2.根据权利要求1所述的一种头戴式无人直升机控制系统，其特征在于，所述头控器由穿戴于头部的头盔设备和惯导设备组成，所述惯导设备包括IMU惯性测量传感器和compass磁罗盘，所述IMU惯性测量传感器由三个加速度计和三个陀螺仪组成的组合单元，三个加速度计和三个陀螺仪安装在互相垂直的测量轴上，进行六自由度姿态感知、并将感知到的数据存放入所述机载单元的内置算法模块中，解算出无人机云台控制的横摇、俯仰、偏航角度姿态，以及进行加密后通过无线传输或\和有线传输给所述地面控制单元的PC控制台。
3.根据权利要求1所述的一种头戴式无人直升机控制系统，其特征在于，所述手控器包括采用双手控制的手柄、安装于手柄上的电子罗盘和安装于手柄上的GPS定位器。
4.根据权利要求1所述的一种头戴式无人直升机控制系统，其特征在于，所述机载单元上的执行机构包括无人机挂载机枪和无人机挂载吊舱。
5.基于权利要求1至4所述的一种头戴式无人直升机控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，根据三维电子罗盘和加速度的输出求取姿态角，如公式(1)所示：
其中，姿态角度为横滚roll和俯仰pitch，横向加速度为ax、纵向加速度为ay、垂向加速度为az；
将机体坐标系相对地理坐标系的方位为机体的姿态，设θ、φ、ψ分别为机体的横滚角、俯仰角和航向角，三轴磁分量数据为mx、my、mz，则机体坐标系于地理坐标系间的转换矩阵如下：
步骤S2，根据姿态角信息与电子罗盘的三轴磁力数据、求取计算偏航角所需的参数，如公式(3)所示：
公式(3)中：Xh、Yh、Zh分别为机体水平姿态角为零时的磁场在机体坐标系Xb、Yb、Zb方向的分量，则航向角可以用如下公式(4)计算得到：
根据Xh、Yh数值一般的变化范围可以得到公式(5)和公式(6)：
步骤S3，航向角就可以通过
求得，所以姿态角如公式(7)所示：
步骤S4，根据姿态角α、β、γ，可以求得对应的无人直升机的四元数如公式(8)所示：
步骤S5，根据四元数求取转换矩阵，如公式(9)和公式(10)所示：
步骤S6，对罗盘输出的数据进行归一化处理，如公式(11)所示：
步骤S7，由电子罗盘的输出计算地球磁场的参考方向，如公式(12)和公式(13)所示：
步骤S8，估计磁场方向，如公式(14)所示：
步骤S9，估计方位和量测方位向量叉乘之后累积，如公式(15)所示：
步骤S10，归一化加速度计输出，如公式(16)所示：
步骤S11，计算重力和磁场的方位，如公式(17)所示：
步骤S12，估计方位和量测方位向量叉乘后累积，如公式(18)所示：
步骤S13，对陀螺仪输出的角速度进行修正，如公式(19)所示：
步骤S14，通过修正后的角速度与四元数计算四元数的导数，如公式(20)所示：
步骤S15，积分四元数的导数得到新的四元数，如公式(21)所示：
步骤S16，姿态转换阵如公式(22)所示：
步骤S17，姿态角如公式(23)所示：
以上述控制律进行小型无人直升机的姿态控制。
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