CN203909620U - 具备自主航线飞行能力的六旋翼无人飞行器飞行控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具备自主航线飞行能力的六旋翼无人飞行器飞行控制系统，其中六轴惯性传感器电路和三轴地磁传感器电路与MCU处理器的SPI总线连接，GPS传感器电路与MCU处理器的UART1串口连接，MCU处理器通过I²C总线接口与六个无刷直流电机调速器连接，UART2串口与无线数传模块的串口连接，UART3串口与RC接收机的S.Bus接口连接，MCU处理器上设有纵向回路、横向回路、垂向回路以及航向回路控制单元，分别根据三轴角速度与加速度、地磁分量以及速度与位置改变六个无刷直流电机调速器的PWM占空比。本实用新型，由纵向、横向、垂向以及航向四个控制单元进行多串级反馈控制，有效实现了自主航线飞行，且减少了飞行控制系统的连线数量与重量，提高了稳定性。

Description

具备自主航线飞行能力的六旋翼无人飞行器飞行控制系统

技术领域

本实用新型涉及无人飞行器飞行控制技术领域，具体涉及具备自主航线飞行能力的六旋翼无人飞行器飞行控制系统。

背景技术

六旋翼无人飞行器因其具有可垂直起降以及机械结构简单、可靠性高、体积小、重量轻、成本低、使用方便等优点，在航空摄影、交通监控、地理测绘、电力巡线以及侦察等方面具有广阔的应用前景。

其中，飞行控制系统是六旋翼无人飞行器的核心部分，飞行控制系统根据遥控人员或地面站的指令相应地调节六旋翼无人飞行器的六个旋翼的升力，以实现稳定可靠地飞行。

目前，市场上六旋翼无人飞行器的飞行控制系统通常只具备手动姿态增稳飞行功能，普遍存在以下缺点：

(1)自主飞行能力差，特别是到达任务区域上空进行定点悬停飞行时，也需要操控人员的介入；

(2)操控难度大，因为六旋翼无人飞行器在飞行过程中，需要操控人员根据飞行器状态通过RC遥控器不断地快速调节飞行器的俯仰角、横滚角、偏航角速度及油门，体力和精神上的消耗非常大，经过长时间的作业后，容易误操作而导致坠机事故发生。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是现有六旋翼无人飞行器自主飞行能力差、操控难度大的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是提供一种具备自主航线飞行能力的六旋翼无人飞行器飞行控制系统，包括电源转换电路、六轴惯性传感器电路、三轴地磁传感器电路、GPS传感器电路以及MCU处理器，其中：

所述电源转换电路连接到六旋翼无人飞行器上的锂聚合物电池组，将锂聚合物电池组的输出电压转换用于为六轴惯性传感器电路、三轴地磁传感器电路、GPS传感器电路、MCU处理器以及六旋翼无人飞行器上的无线数传模块和RC接收机供电；

所述六轴惯性传感器电路用于检测飞行器的三轴角速度与三轴加速度，其输出端与所述MCU处理器的SPI总线连接；

所述三轴地磁传感器电路用于检测飞行器体坐标下的三轴地磁分量，其输出端与所述MCU处理器的SPI总线连接；

所述GPS传感器电路用于检测飞行器的速度与位置，其输出端与MCU处理器的UART1串口连接；

所述MCU处理器通过I²C总线接口与六个无刷直流电机调速器连接，所述MCU处理器的UART2串口与无线数传模块的串口连接，UART3串口与RC接收机的S.Bus接口连接，所述MCU处理器上设有纵向回路控制单元、横向回路控制单元、垂向回路控制单元以及航向回路控制单元，分别根据六旋翼无人飞行器的三轴角速度与三轴加速度、三轴地磁分量以及速度与位置改变六个无刷直流电机调速器的PWM占空比。

在上述方案中，所述纵向回路控制单元获得纵向回路输出u_lon，所述横向回路控制单元获得横向回路输出u_lat，所述垂向回路控制单元获得垂向回路输出u_height，所述航向回路控制单元获得航向回路输出u_yaw，所述纵向回路输出u_lon、横向回路输出u_lat、垂向回路输出u_height和航向回路输出u_yaw通过混控器得到六个直流无刷电机调速器的输入PWM占空比命令。

在上述方案中，所述纵向回路控制单元由y轴角速度控制器、x轴重力控制器、纵向速度控制器和纵向位置控制器由内而外依次串联组成，且纵向速度控制器与x轴重力控制器之间设有x轴重力前置滤波器。

在上述方案中，所述横向回路控制单元由x轴角速度控制器、y轴重力控制器、横向速度控制器和横向位置控制器由内而外依次串联组成，且所述y轴重力控制器与所述横向速度控制器之间设有y轴重力前置滤波器。

在上述方案中，所述垂向回路控制单元由垂向速度控制器和高度控制器由内而外串联组成。

在上述方案中，所述航向回路控制单元由z轴角速度控制器和航向角控制器由内而外串联组成。

在上述方案中，RC接收机的S.Bus经过单路反相器芯片转换成TTL电平的UART串口信号，再通过所述MCU处理器的UART3串口进行采集。

本实用新型，利用纵向回路、横向回路、垂向回路以及航向回路控制单元进行多串级反馈控制，有效实现了自主航线飞行，且减少了飞行控制系统的连线数量与重量，提高了稳定性。

附图说明

图1是本实用新型的应用原理图；

图2是本实用新型中电源转换电路示意图；

图3是本实用新型中六轴惯性传感器电路示意图；

图4是本实用新型中三轴地磁传感器电路示意图；

图5是本实用新型中GPS传感器电路示意图；

图6是本实用新型中MCU处理器示意图；

图7是本实用新型中纵向回路、横向回路、垂向回路以及航向回路控制单元的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做出详细的说明。

图1是本实用新型的应用原理图，如图1所示，本实用新型提供的具备自主航线飞行能力的六旋翼无人飞行器飞行控制系统101用于控制六旋翼无人飞行器上的六个无刷直流电机调速器301，以控制其六个旋翼的升力，实现稳定可靠的飞行。六个无刷直流电机调速器301由锂聚合物电池组201供电，人工操作RC摇控器701发出的控制信号通过六旋翼无人飞行器上的RC接收机601接收并传送给飞行控制系统101，实现六旋翼无人飞行器的手动飞行控制，地面监控站501通过六旋翼无人飞行器上的无线数传模块401监控其飞行状态。

飞行控制系统101包括电源转换电路102、六轴惯性传感器电路103、三轴地磁传感器电路104、GPS传感器电路105和MCU处理器106。其中：

如图2所示，电源转换电路102用于将锂聚合物电池组201输出的8.4～25.2V的电源输入电压转换成5V与3.3V的稳定电压，其中，5V电压用于为六轴惯性传感器电路103、三轴地磁传感器电路104、GPS传感器电路105、无线数传模块401以及RC接收机601供电，3.3V用于为MCU处理器106供电。

如图2所示，六轴惯性传感器电路103用于检测六旋翼无人飞行器的三轴角速度与三轴加速度，并输出至MCU处理器106的SPI总线。

如图3所示，三轴地磁传感器电路104用于检测六旋翼无人飞行器体坐标下的三轴地磁分量，并输出至MCU处理器106的SPI总线。

如图4所示，GPS传感器电路105用于检测六旋翼无人飞行器的速度与位置，并输出至MCU处理器106的UART1串口。

如图5所示，MCU处理器106的UART2串口与无线数传模块401的串口连接，MCU处理器106的UART3总线与RC接收机601的S.Bus接口连接，MCU处理器106的I²C总线接口与六个无刷直流电机调速器301的I²C总线接口连接。

如图6所示，MCU处理器106上设有纵向回路控制单元、横向回路控制单元、垂向回路控制单元以及航向回路控制单元，根据六旋翼无人飞行器的三轴角速度与三轴加速度、三轴地磁分量以及速度与位置输出控制信号，改变六个无刷直流电机调速器的PWM占空比，控制六个无刷直流电机调速器301改变相应旋翼的升力，实现飞行控制(请参见下面结合图3所做出和详细介绍)。

图2是本实用新型提供的一种具备自主航线飞行能力的六旋翼无人飞行器飞行控制系统电路图。如图2所示：

电源转换电路102由降压转换器芯片U1、线性稳压电源芯片U2、电容器C1、C2、C3、C4、C5、电阻器R1、R2、电感器L1、肖特基二极管D1和电源接口JP1组成。其中，降压转换器芯片U1、电容器C1、C2、C3、电阻器R1、R2、电感器L1和肖特基二极管D1组成DC-DC降压转换电路，将锂聚合物电池组201输出的8.4～25.2V的输入电压转换成5V稳定电压；其中，电容器C1起稳压作用，电容器C2为降压转换器芯片U1集成的MOSFET提供栅极驱动电压；电感器L1和电容器C3构成LC滤波电路，起稳定输出电压作用；电阻器R1、R2构成分压电路，为降压转换器芯片U1的第四管脚提供电压反馈；肖特基二极管D1起续流作用。降压转换器芯片U1采用德州仪器公司的TPS5430降压转换器芯片。线性稳压电源芯片U2、电容器C4、C5构成线性降压电路，将5V稳定电压转换成3.3V稳定电压；电容器C4、C5起稳定电压作用。

六轴惯性传感器电路103由六轴惯性传感器芯片U3和电容器C6、C7、C8、C9组成，用于检测飞行器的三轴角速度与三轴加速度。六轴惯性传感器芯片U3采用意法半导体公司生产的带SPI数字输出的六轴惯性传感器芯片LSM330DLC；电容器C6、C7、C8、C9起稳定电压作用。

三轴地磁传感器电路104由三轴地磁传感芯片U4和电容器C10、C11、C12组成，用于机体坐标系下地磁分量的检测。三轴地磁传感芯片U4采用霍尼韦尔公司生产的带SPI数字输出的三轴电子罗盘芯片HMC5983；电容器C11起蓄能作用，为三轴地磁传感芯片U4内置的置位/复位电路提供电荷；电容器C12配合三轴地磁传感芯片U4内置的置位/复位电路产生正向与反向脉冲电流，以提高地磁传感器的线性度并降低交叉轴效应与温度效应。

GPS传感器电路105由GPS模块芯片U5、GPS天线A1和电容器C13组成，用于飞行器速度与位置的检测。GPS模块芯片U5采用ublox生产的多功能GPS/GNSS模块芯片NEO-7P；GPS天线采用陶瓷无源天线；电容器C13起稳定电源电压作用。

MCU处理器106的核心是MCU处理器芯片U6，并设有无刷直流电机调速器接口JP2、无线数传模块接口JP3、RC接收机接口JP4以及JTAG调试接口JP5。MCU处理器芯片U6采用意法半导体公司生产的基于Cortex-M3内核的32位嵌入式微控制器芯片STM32F405RG，其上设有纵向回路控制单元、横向回路控制单元、垂向回路控制单元以及航向回路控制单元。无刷直流电机调速器接口JP2用于连接MCU处理器芯片U6集成的I²C总线(引脚PB8、引脚PB9)与六个无刷直流电机301的I²C总线；无线数传模块接口JP3用于连接MCU处理器芯片U6集成的UART2串口(引脚PA2、引脚PA3)与无线数传模块401的串口；RC接收机接口JP4用于连接RC接收机601的S.Bus信号输出，该信号经单路反向器芯片U7电平转换后与MCU处理器芯片U6集成的UART3串口(引脚PC11)连接；JTAG调试接口JP5用于连接JTAG调试器实现程序下载与在线调试；晶体振荡器OSC1为8MHz有源晶体振荡器；电容器C14、C15、C16、C17、C18、C19、C20、C21、C22、C23、C24起稳定电压作用；电阻器R3将MCU处理器芯片U6的引脚BOOT0下拉接地，使程序从MCU处理器芯片U6内置的Flash存储器开始运行；电阻器R4、R5为I²C总线的上拉电阻。

如图3所示：

纵向回路控制单元由y轴角速度控制器N4、x轴重力控制器N3(对应现有技术中的俯仰角控制回路)、纵向速度控制器N2和纵向位置控制器N1由内而外依次串联组成。纵向位置控制器N1根据纵向位置设定值与纵向位置测量值计算纵向速度设定值；纵向速度控制器N2根据纵向速度设定值与纵向速度测量值计算x轴重力设定值并经x轴重力前置滤波器F1滤波得到x轴重力设定值，采用前置滤波器F1的目的是匹配纵向速度控制回路的低动态特性与x轴重力控制回路的高动态特性，提高控制的稳定性；x轴重力控制器N3根据滤波后的x轴重力设定值与x轴重力测量值计算y轴角速度设定值；y轴角速度控制器N4根据y轴角速度设定值与y轴角速度测量值计算纵向回路输出u_lon；本实用新型，在纵向回路控制单元中采用了x轴重力控制代替现有的俯仰角控制，其主要优势在于避免了费时的三角函数运算，提高了控制的实时性；另外，纵向位置控制器N1、纵向速度控制器N2、x轴重力前置滤波器F1、x轴重力控制器N3以及y轴角速度控制器N4均基于定量反馈理论进行设计，以保证控制器的鲁棒性。

横向回路控制单元由x轴角速度控制器N8、y轴重力控制器N7(对应现有技术中的横滚角控制回路)、横向速度控制器N6和横向位置控制器N5由内而外依次串联组成。横向位置控制器N5根据横向位置设定值与横向位置测量值计算横向速度设定值；横向速度控制器N6根据横向速度设定值与横向速度测量值计算y轴重力设定值并经y轴重力前置滤波器F2滤波得到y轴重力设定值，采用前置滤波器F2的目的是匹配横向速度控制回路的低动态特性与y轴重力控制回路的高动态特性，提高控制的稳定性；y轴重力控制器N7根据滤波后的y轴重力设定值与y轴重力测量值计算x轴角速度设定值；x轴角速度控制器N8根据x轴角速度设定值与x轴角速度测量值计算横向回路输出u_lat；本实用新型，在横向回路控制单元中采用了y轴重力控制代替现有的横滚角控制，其主要优势在于避免了费时的三角函数运算，提高了控制的实时性；另外，横向位置控制器N5、横向速度控制器N6、y轴重力前置滤波器F2、y轴重力控制器N7以及x轴角速度控制器N8均基于定量反馈理论进行设计，以保证控制器的鲁棒性。

垂向回路控制单元由垂向速度控制器N10和高度控制器N9由内而外串联组成。高度控制器N9根据高度设定值与高度测量值计算垂向速度设定值；垂向速度控制器N10根据垂向速度设定值与垂向速度测量值计算垂向回路输出u_height；高度控制器N9、垂向速度控制器N10均基于定量反馈理论进行设计，以保证控制器的鲁棒性。

航向回路控制单元由z轴角速度控制器N12和航向角控制器N11由内而外串联组成。航向角控制器N11根据航向角设定值与航向角测量值计算z轴角速度设定值；z轴角速度控制器N12根据z轴角速度设定值与z轴角速度测量值计算航向回路输出u_yaw；航向角控制器N11、z轴角速度控制器C12均基于定量反馈理论进行设计，以保证控制系统的鲁棒性。

最终，纵向回路输出u_lon、横向回路输出u_lat、垂向回路输出u_height和航向回路输出u_yaw通过混控器计算得到六个直流无刷电机调速器的输入u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆，以实现对六个直流无刷电机的控制，从而实现六旋翼无人飞行器的飞行控制。具体计算公式为：

u₁＝u_height ⁺u_lon-u_lat+u_yaw   (1)

u₂＝u_height-u_lat-u_yaw   (2)

u₃＝u_height-u_lon-u_lat+u_yaw   (3)

u₄＝u_height-u_lon+u_lat-u_yaw   (4)

u₅＝u_height+u_lat+u_yaw   (5)

u₆＝u_height+u_lon+u_lat-u_yaw   (6)

综上所述，本实用新型提供的具备自主航线飞行能力的六旋翼无人飞行器飞行控制系统，具有如下优点：

(1)通过一个I²C接口与六个无刷直流电机调速器连接，实现了高分辨率的调速设定值给定以及电机转速、电机电流、MOS管温度等的实施监控；同时通过降低连线复杂度减轻了连接线的重量。

(2)通过采集RC接收机的S.Bus信号获得手动遥控信号，RC接收机的S.Bus信号经过SN74AHC1G01单路反相器芯片U7转换成TTL电平的UART串口信号，再通过MCU处理器芯片U6的UART3串口通过数字形式进行采集，只需一根三芯连接线即可完成手动遥控信号的采集，减少了飞行控制系统的连线数量与重量；

(3)六旋翼无人飞行器的运动分别由MCU处理器上的纵向回路控制单元、横向回路控制单元、垂向回路控制单元以及航向回路控制单元四个控制单元进行多串级反馈控制，有效实现了自主航线飞行；

(4)采用x轴重力控制器、y轴重力控制器分别取代俯仰角控制器和横滚角控制器，避免了大量的三角函数运算，有效降低了MCU处理器的计算量，提高控制的实时性；

(5)各内、外控制器之间采用前置滤波器进行连接，提高了控制的稳定性。

(6)RC接收机的S.Bus信号经过SN74AHC1G01单路反相器芯片U7转换成TTL电平的UART串口信号，再通过MCU处理器芯片U6的UART3串口通过数字形式进行采集，采用高集成度的MCU处理器为主控芯片，降低系统成本的同时提高了系统可靠性，有效实现了自主航线飞行。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本实用新型的启示下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.具备自主航线飞行能力的六旋翼无人飞行器飞行控制系统，其特征在于，包括电源转换电路、六轴惯性传感器电路、三轴地磁传感器电路、GPS传感器电路以及MCU处理器，其中：

所述电源转换电路连接到六旋翼无人飞行器上的锂聚合物电池组，将锂聚合物电池组的输出电压转换用于为六轴惯性传感器电路、三轴地磁传感器电路、GPS传感器电路、MCU处理器以及六旋翼无人飞行器上的无线数传模块和RC接收机供电；

所述六轴惯性传感器电路用于检测飞行器的三轴角速度与三轴加速度，其输出端与所述MCU处理器的SPI总线连接；

所述三轴地磁传感器电路用于检测飞行器体坐标下的三轴地磁分量，其输出端与所述MCU处理器的SPI总线连接；

所述GPS传感器电路用于检测飞行器的速度与位置，其输出端与MCU处理器的UART1串口连接；

所述MCU处理器通过I²C总线接口与六个无刷直流电机调速器连接，所述MCU处理器的UART2串口与无线数传模块的串口连接，UART3串口与RC接收机的S.Bus接口连接，所述MCU处理器上设有纵向回路控制单元、横向回路控制单元、垂向回路控制单元以及航向回路控制单元，分别根据六旋翼无人飞行器的三轴角速度与三轴加速度、三轴地磁分量以及速度与位置改变六个无刷直流电机调速器的PWM占空比。

2.如权利要求1所述的具备自主航线飞行能力的六旋翼无人飞行器飞行控制系统，其特征在于，所述纵向回路控制单元获得纵向回路输出u_lon，所述横向回路控制单元获得横向回路输出u_lat，所述垂向回路控制单元获得垂向回路输出u_height，所述航向回路控制单元获得航向回路输出u_yaw，所述纵向回路输出u_lon、横向回路输出u_lat、垂向回路输出u_height和航向回路输出u_yaw通过混控器得到六个直流无刷电机调速器的输入PWM占空比命令。

3.如权利要求1所述的具备自主航线飞行能力的六旋翼无人飞行器飞行控制系统，其特征在于，所述纵向回路控制单元由y轴角速度控制器、x轴重力控制器、纵向速度控制器和纵向位置控制器由内而外依次串联组成，且纵向速度控制器与x轴重力控制器之间设有x轴重力前置滤波器。

4.如权利要求1所述的具备自主航线飞行能力的六旋翼无人飞行器飞行控制系统，其特征在于，所述横向回路控制单元由x轴角速度控制器、y轴重力控制器、横向速度控制器和横向位置控制器由内而外依次串联组成，且所述y轴重力控制器与所述横向速度控制器之间设有y轴重力前置滤波器。

5.如权利要求1所述的具备自主航线飞行能力的六旋翼无人飞行器飞行控制系统，其特征在于，所述垂向回路控制单元由垂向速度控制器和高度控制器由内而外串联组成。

6.如权利要求1所述的具备自主航线飞行能力的六旋翼无人飞行器飞行控制系统，其特征在于，所述航向回路控制单元由z轴角速度控制器和航向角控制器由内而外串联组成。

7.如权利要求1所述的具备自主航线飞行能力的六旋翼无人飞行器飞行控制系统，其特征在于，RC接收机的S.Bus经过单路反相器芯片转换成TTL电平的UART串口信号，再通过所述MCU处理器的UART3串口进行采集。