CN204808047U - 一种数字航拍姿态精密控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的在于针对现有技术，提供一种数字航拍姿态精密控制装置，其特征在于，包括地面控制部、无线信号传输部、飞行控制部以及航拍控制部，电机驱动单元。地面控制部包括自动飞控单元和手动飞控单元、无线信号传输部包含地面信号部以及无人机信号部。飞行控制部包括飞行控制模块和飞行控制器。

Description

一种数字航拍姿态精密控制装置

技术领域

本实用新型涉及微小型无人直升机的数字航拍姿态精密控制技术领域，尤其涉及一种多旋翼无人机数字航拍姿态精密控制装置。

背景技术

近年来，各国兴起了无人直升机的研发热，在军事、紧急事件响应、监测、航拍和精密农业管理等方面扮演重要作用。多旋翼无人机，构造简单，价格低廉，最重要是它不需要发射系统，对起飞环境无要求，能够在空中自由悬停，而且飞行灵活性相当高超，可用各种速度，各种飞行剖面的航路进行飞行，因而比固定翼无人机在侦查、营救等艰难任务环境中，更具有应用优势。出于城市、国土、林业、环保、公安、能源、卫星定位、旅游等数字化信息建设层面的需求，对各种航拍数据的需求越发迫切。无人机航拍摄影是以无人驾驶的飞机作为空中平台，搭载摄像设备执行空中拍摄任务的过程。随着中国信息化建设的飞速发展，

目前，航拍无人机搭载控制模块，已摆脱了盲拍困境，通过实时回传的图像，调整无人机姿态或云台的角度，使得拍摄的主题更加明确。但是，在无人机起飞前，需要将搭载在无人机上的摄像机进行开机、调整焦距、设置参数、开启录像等操作，而且，一旦无人机起飞，就无法对摄像机进行操作。而目前所拥有的相机遥控器，多数采用蓝牙、红外等技术，遥控距离太近，无法在实际应用中使用。因此，开发一种适于在实践中使用，且简单易用的的航拍控制系统显得极为重要。

目前市场上的多旋翼无人机控制器多采用一个核心计算单元，当无人机传感器单元遇到很强的信号干扰或GPS导航传感器信号突然丢失时，核心计算单元发会发生失稳或死机现象，操作者无法从自动飞行模式切换成手动飞行模式，导致炸机和飞丢，造成安全隐患。

综上所述，目前对于小型无人机航拍，尚无飞行控制和摄影兼具的系统，基本都是通过专业的操纵人员通过无线遥控以及机载电子控制系统来控制，从而完成飞行任务。且没有手动自动自如切换的方式，如果自动控制一旦出现问题，可以切换为手动继续操作。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及的问题，提供一种多旋翼无人机数字航拍姿态精密控制装置，其适于精密控制飞行和航拍，且能在自动和手动之间比较方便地切换。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种数字航拍姿态精密控制装置，其特征在于：

包括地面控制部、无线信号传输部、飞行控制部以及航拍控制部，电机驱动单元；

地面控制部包括自动飞控单元和手动飞控单元、无线信号传输部包含地面信号部以及无人机信号部；

飞行控制部包括飞行控制模块和飞行控制器；

飞行控制模块包括飞行气压传感器、测高传感器、航速传感器、水平姿态传感器和卫星定位传感器；

所述航拍控制部包括多路PWM检测电路、MCU、电平转换电路；

地面信号部以及无人机信号部、飞行控制模块、飞行控制器、航拍控制部全部与自动飞控单元以及手动飞控单元电气连接或无线通信连接，自动飞控单元以及手动飞控单元的输出端都连接电机驱动单元的输入端；

自动飞控单元由飞行姿态计算装置、姿态归正器、飞行速度检测校正装置、速度控制器、飞行高度检测校正单元、飞行高度控制器、GPS导航校准器构成；

手动飞控单元由三轴陀螺仪传感器和角速度控制器、DSP模块和伺服操纵模块构成；

所述三轴陀螺仪传感器以及角速度控制器的输出端连接至手动飞控单元。

卫星定位传感器的速度信号输出端和飞行姿态计算装置的角加速度信号输出端同时连接于飞行速度检测校正装置的输入端，飞行速度检测校正装置的输出端与速度控制器的输入端连接，速度控制器的输出端与姿态归正器相连接；飞行气压传感器的信号输出端连接到飞行高度检测校正单元，飞行高度检测校正单元输出端连接飞行高度控制器，飞行高度控制器输出端连接速度控制器。

所述MCU完成PWM计数、信号处理、协议转换后输出信号至所述电平转换电路，经过I/O端口保护电路，通过接口与航拍摄像机对应连接。

所述飞行控制模块还具有配合DSP模块的DAC扩展电路。

所述飞行控制器包含一个电机和四个舵机，所述电机用于控制旋翼转速，所述四个舵机分别控制总距、尾桨桨距、横向周期变距、纵向周期变距。或者所述飞行控制器包含一个电机和八个舵机，所述电机用于控制旋翼转速，所述八个舵机分别控制总距、尾桨桨距、横向周期变距、纵向周期变距、俯仰、横滚、偏航、高度。

所述PWM检测电路至少包括PWM检测单元，该PWM检测单元至少包含PWM主检测单元和带有备用电池的PWM备用检测单元。

附图说明

图1为地面控制部之内的部件的示意图。

图2为无人机部之内的部件示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

一种数字化空中无线远程航拍控制系统，其特征在于：

包含机载部、航拍部和地面控制部。

所述的地面站控制部包括地面监控器、地面无线数传器和遥控器，所述地面监控器和地面无线数传器以及遥控器均电气相连。

所述机载部包含飞行控制模块、传感器模块、机载无线数传器、遥控接收机和飞行控制部。

所述传感器模块包括飞行气压传感器、测高传感器、航速传感器、水平姿态传感器和卫星定位传感器。

所述飞行控制模块分别和飞行气压传感器、测高传感器、航速传感器、水平姿态传感器和卫星定位传感器、机载无线数传器、遥控接收机和飞行控制部电气相连，用于接收飞机状态信息以及地面控制信号，并经过计算后输出控制信号给飞行控制部，用于控制飞行。

所述遥控接收机用于在无线遥控模式时接收遥控器的遥控信号并将其传递给飞行控制模块。

所述机载无线数传器和地面无线数传器基于无线信号以互相通信。

所述航拍部包括多通道遥控接收机和航拍摄像机无线远程控制模块。

所述航拍摄像机无线远程控制模块包括多路PWM检测电路、MCU、电平转换电路和I/O端口保护电路。

所述多通道遥控接收机接收多通道遥控器的远程遥控信号并向所述PWM检测电路输出多路信号。

所述PWM检测电路的信号输出端与所述MCU连接。

所述MCU完成PWM计数、信号处理、协议转换后输出信号至所述电平转换电路，所述电平转换电路的信号输出端与所述I/O端口保护电路的输入端连接，所述I/O端口保护电路的输出端通过接口与航拍摄像机对应连接。

前述的数字化空中无线远程航拍控制系统，其特征在于，所述飞行控制模块采用DSP模块。

前述的数字化空中无线远程航拍控制系统，其特征在于，所述飞行控制模块还具有配合DSP模块的DAC扩展电路。

前述的数字化空中无线远程航拍控制系统，其特征在于，所述飞行控制部包含一个电机和四个舵机，所述电机用于控制旋翼转速，所述四个舵机分别控制总距、尾桨桨距、横向周期变距、纵向周期变距。

所述飞行控制部包含一个电机和八个舵机，所述电机用于控制旋翼转速，所述八个舵机分别控制总距、尾桨桨距、横向周期变距、纵向周期变距、俯仰、横滚、偏航、高度。

所述PWM检测电路至少包括PWM检测单元，该PWM检测单元至少包含PWM主检测单元和带有备用电池的PWM备用检测单元。

飞行控制模块根据这些数据，采用一定的控制算法计算出当前的飞行器螺旋桨的转速和舵面的舵量，并根据计算结果控制飞行器飞行状态，实现飞行器的自主飞行。这里所说的控制算法可以采用一些本领域技术人员所公知的控制算法，如比例-积分-微分(PID)控制算法、自适应控制算法等。

飞行气压传感器可确定不同位置的大气压和/或压力随时间和/或运动的变化，以及尽管这样的大气压可与高度联系，然而飞行气压传感器单独不能区分在多种潜在的源之间的压力改变。例如，飞行气压传感器不能识别压力改变发生是否是由于天气和/或大气条件改变、还是由于用户高度改变等。尽管至少在一些实施例中，卫星定位传感器提供高度数据，然而此高度数据一般可能有些不准确。传统的卫星定位传感器不监测天气。包括卫星定位传感器和气压传感器的监测系统可允许更准确确定所经历的大气压改变是否是由于高度改变还是天气改变。

水平姿态传感器，用于检测无人机的倾斜角度，根据检测出的倾角大小，针对不同侧旋翼发出不同的速度调节指令，通过改变不同侧旋翼速度差，纠正无人机的姿态。为了避免无人机正常飞行过程中水平姿态传感器的误动作，设定水平姿态传感器每隔一定时间才动作，这时间可以是1s-30s。

所述PWM检测电路包括采样电路，适于对PWM波进行采样，以获取PWM波的占空比。还包括低通滤波器；与所述低通滤波器耦接的ADC电路或高频时钟电路。

无线遥控飞行模式时可使用DSP模块，遥控接收机接收遥控器信号传输至DSP模块，DSP模块对接收的信号处理后分别输出控制信号控制执行机构工作；

多模态自制飞行模式时，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，并将采集到的数据发送至DSP模块；所述PC控制台通过无线传输模块将数据传输至DSP模块；所述DSP模块实时接收传感器数据及PC控制平台数据，并对接收的信号处理后分别输出控制信号至执行机构，控制执行机构工作。

DSP芯片，例如TMS320F28335芯片；TMS320F28335控制效果好，运算能力强，是该系列DSP中性能优越的代表，故仅用一块足够实现导航和飞控的功能。以下对飞控计算机详细描述。飞行控制计算机中，DSP是主控芯片，所有的信号读入，解算，飞行控制律的解算，控制信号输出均有其完成。DSP完成的内容有：传感器信号处理、遥控信息接收、导航计算、控制律解算、舵机驱动、地面站通信等。

DSP是控制核心，所有完成的工作构成了带反馈的闭环控制。它处理传感器信息，为飞控系统提供反馈输入；接收遥控或自主控制指令，根据具体指令采用不同的控制方式；输出控制信号控制舵机，从而控制飞机飞行。在此基础上可扩展其导航功能，根据地面站规划的路径完成航迹规划和航程推算的功能，根据导航信息完成自主飞行。从而为无人机量身设计集高速度、高精度和小型化于一体的新型飞行控制计算机。

TMS320F28335是TI公司新推出的浮点型DSP处理器，它在已有的DSP平台上增加了浮点运算内核，即保持了原有DSP芯片的优点，又能够执行复杂的浮点运算，可以节省代码执行时间和存储空间，精度高，成本低，功耗小，外设集成度高，数据及程序存储量大。利用TMS320F28335开发，所需的外围芯片相对较少，系统结构简单优化，成本较低，可靠性高。

本实用新型把以上各部分综合实现，经过试飞调试，获得了最佳的控制参数和效果。并且本实用新型成果达到了预期的目的：并在自动系统不能使用或者不适于使用时，也能用手动操控。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。

Claims (1)

1.一种数字航拍姿态精密控制装置，其特征在于：

包括地面控制部、无线信号传输部、飞行控制部以及航拍控制部，电机驱动单元；

地面控制部包括自动飞控单元和手动飞控单元、无线信号传输部包含地面信号部以及无人机信号部；

飞行控制部包括飞行控制模块和飞行控制器；

飞行控制模块包括飞行气压传感器、测高传感器、航速传感器、水平姿态传感器和卫星定位传感器；

所述航拍控制部包括多路PWM检测电路、MCU、电平转换电路；

地面信号部以及无人机信号部、飞行控制模块、飞行控制器、航拍控制部全部与自动飞控单元以及手动飞控单元电气连接或无线通信连接，自动飞控单元以及手动飞控单元的输出端都连接电机驱动单元的输入端；

自动飞控单元由飞行姿态计算装置、姿态归正器、飞行速度检测校正装置、速度控制器、飞行高度检测校正单元、飞行高度控制器、GPS导航校准器构成；

手动飞控单元由三轴陀螺仪传感器和角速度控制器、DSP模块和伺服操纵模块构成；

所述三轴陀螺仪传感器以及角速度控制器的输出端连接至手动飞控单元；

卫星定位传感器的速度信号输出端和飞行姿态计算装置的角加速度信号输出端同时连接于飞行速度检测校正装置的输入端，飞行速度检测校正装置的输出端与速度控制器的输入端连接，速度控制器的输出端与姿态归正器相连接；飞行气压传感器的信号输出端连接到飞行高度检测校正单元，飞行高度检测校正单元输出端连接飞行高度控制器，飞行高度控制器输出端连接速度控制器。