一種基于混合控制方法的四旋翼無人飛行器平臺(tái)的制作方法
【專利摘要】一種基于混合控制方法的四旋翼無人飛行器平臺(tái)，其特征在于飛行器平臺(tái)結(jié)構(gòu)包括五個(gè)子模塊，其中S1為微處理器模塊，S2為導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)，S3為無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，S4為Wi-Fi無線通信系統(tǒng)，S5為人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，各模塊由多個(gè)器件構(gòu)成，所述的飛行器混合控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)由以下元素構(gòu)成，其中：Q1為無刷電機(jī)一號(hào)，Q2為無刷電機(jī)二號(hào)，Q3為無刷電機(jī)三號(hào)，Q4為無刷電機(jī)四號(hào)，A1為航向角增量，A2為升力增量，A3為橫滾角增量，A4為俯仰角增量，B1為無刷電機(jī)Q1的期望轉(zhuǎn)速，B2為無刷電機(jī)Q2的期望轉(zhuǎn)速，B3為無刷電機(jī)Q3的期望轉(zhuǎn)速，B4為無刷電機(jī)Q4的期望轉(zhuǎn)速。可以有效實(shí)現(xiàn)控制四旋翼無人飛行器，增強(qiáng)對(duì)外界擾動(dòng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的控制性能。
【專利說明】—種基于混合控制方法的四旋翼無人飛行器平臺(tái)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一種基于混合控制方法的四旋翼無人飛行器平臺(tái)屬于智能飛行機(jī)器人控制領(lǐng)域。【背景技術(shù)】
[0002]四旋翼無人飛行器是一種垂直起降無人駕駛飛行器Vertical Take-off andLanding Unmanned Aerial Vehicle, VTOL UAV),國(guó)夕卜又稱 Quad rotor, Four rotor 或X4-flyer等，本發(fā)明將其稱為四旋翼無人駕駛飛行器。它具有四個(gè)呈十字交叉結(jié)構(gòu)的旋翼，通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制，從而改變飛行器在空間中的位置。近年來，四旋翼無人飛行器以其新穎的結(jié)構(gòu)布局和獨(dú)特的飛行方式引起了人們的廣泛關(guān)注，迅速成為國(guó)際上新的研究熱點(diǎn)。四旋翼無人駕駛飛行器在搜索和救援任務(wù)、氣象監(jiān)測(cè)、大地測(cè)量、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景；同時(shí)，作為一個(gè)具有二階非完整約束的六自由度飛行器，可以作為科學(xué)研究的載體，進(jìn)行先進(jìn)控制方法和機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種四旋翼無人飛行器混合控制方法，可以有效實(shí)現(xiàn)控制四旋翼無人飛行器，增強(qiáng)對(duì)外界擾動(dòng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的控制性能。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0005]以四旋翼無人飛行器為平臺(tái)，搭載微處理器模塊SI，導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)S2，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)S3，W1-Fi無線通信系統(tǒng)S4以及人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)S5，構(gòu)成了一套四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)。其中微處理器模塊是以DSP/FPGA嵌入式處理器為核心，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集，并通過混合控制方法，計(jì)算出四旋翼無人飛行器的無刷電機(jī)的控制量；導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)用來完成對(duì)四旋翼無人飛行器運(yùn)動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)估計(jì)；無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由微控制器和驅(qū)動(dòng)電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)無刷直流電機(jī)的控制；W1-Fi無線通信系統(tǒng)用來完成四旋翼無人飛行器與地面站的通信，獲取四旋翼無人飛行器的期望指令；最后通過人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼無人飛行器平臺(tái)飛行參數(shù)的監(jiān)控與記錄。
[0006]1.上述的一種基于混合控制方法的四旋翼無人飛行器平臺(tái)，所述的氣壓計(jì)I用來測(cè)量四旋翼無人飛行器的高度信息，與A/D器件5相連；
[0007]2.上述的一種基于混合控制方法的四旋翼無人飛行器平臺(tái)，所述的慣性測(cè)量單元2用來測(cè)量四旋翼無人飛行器的的姿態(tài)速率和比力等數(shù)據(jù)，與A/D器件6相連；
[0008]3.上述的一種基于混合控制方法的四旋翼無人飛行器平臺(tái)，所述的GPS模塊3用來測(cè)量四旋翼無人飛行器的的平面位置信息，與FPGA處理器9的接口為RS232串行總線7 ;
[0009]4.上述的一種基于混合控制方法的四旋翼無人飛行器平臺(tái)，所述的電子羅盤4、測(cè)量四旋翼無人飛行器的的航向信息，與FPGA處理器9的接口為IIC總線8。
[0010]5.上述的一種基于混合控制方法的四旋翼無人飛行器平臺(tái)，所述的微處理器模塊包括:
[0011][I].FPGA處理器9、通過A/D器件5讀取氣壓計(jì)I數(shù)據(jù)，通過A/D器件6讀取慣性測(cè)量單元2數(shù)據(jù)，通過RS232串行總線7讀取GPS模塊3數(shù)據(jù)，通過IIC總線8讀取電子羅盤4數(shù)據(jù)。FPGA處理器9把所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳入雙口 RAM 18 ；
[0012][2].DSP處理器10、從雙口 RAM 18中獲取導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，從SPI總線12中獲取四旋翼無人飛行器的期望指令，經(jīng)過內(nèi)部混合控制器計(jì)算出四旋翼無人飛行器4個(gè)無刷電機(jī)的期望速度，傳入IIC總線11中，同時(shí)將四旋翼無人飛行器的飛行參數(shù)傳入W1-Fi信號(hào)處理模塊14 ；
[0013][3].雙口 RAM 18、負(fù)責(zé)FPGA處理器9和DSP處理器10之間的數(shù)據(jù)交換，通過地址總線相連接。
[0014]6.上述的一種基于混合控制方法的四旋翼無人飛行器平臺(tái)，所述的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括:
[0015][I].電子調(diào)速器ECS 13、從IIC總線11中獲取無刷電機(jī)13的期望轉(zhuǎn)速，通過內(nèi)部解算，用PWM控制MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)Q1-Q4。
[0016][2].無刷電機(jī)Q1-Q4，最終執(zhí)行元件，由電子調(diào)速器所控制，4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同能夠改變四旋翼無人飛行器的姿態(tài)和位置。
[0017]7.上述的一種基于混合控制方法的四旋翼無人飛行器平臺(tái)，所述的W1-Fi無線通信系統(tǒng)包括:
[0018][I].機(jī)載W1-Fi無線通信模塊15、從無線局域網(wǎng)中獲取W1-Fi無線通信模塊16獲取四旋翼無人飛行器的期望指令，傳入W1-Fi信號(hào)處理模塊14，同時(shí)從W1-Fi信號(hào)處理模塊14中獲取四旋翼無人飛行器的飛行參數(shù)發(fā)送至無線網(wǎng)中。
[0019][2].W1-Fi無線通信模塊16、與人機(jī)監(jiān)控界面17采用互聯(lián)網(wǎng)接口通信獲取四旋翼無人飛行器的期望指令，并將以上信息發(fā)送至無線網(wǎng)中。
[0020][3].W1-Fi信號(hào)處理模塊14、從機(jī)載W1-Fi無線通信模塊15中獲取數(shù)據(jù)傳入SPI總線12，同時(shí)從SPI總線12中獲取四旋翼無人飛行器的飛行參數(shù)傳入機(jī)載W1-Fi無線通信模塊15。
[0021]8.上述的一種基于混合控制方法的四旋翼無人飛行器平臺(tái)，所述的人機(jī)監(jiān)控界面17、用來對(duì)四旋翼無人飛行器的飛行參數(shù)做實(shí)時(shí)記錄和繪圖，動(dòng)態(tài)顯示四旋翼無人飛行器的姿態(tài)，通過局域網(wǎng)發(fā)送期望指令到W1-Fi無線通信模塊16中。
[0022]終上所訴，相比于相應(yīng)領(lǐng)域中的其他四旋翼無人飛行器控制器，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0023]第一，本發(fā)明采用了 DSP/FPGA嵌入式處理器，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，DSP負(fù)責(zé)計(jì)算，兩者之間采用雙口 RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，減少數(shù)據(jù)流的時(shí)間延遲，這樣的組合充分運(yùn)用兩個(gè)微處理器的優(yōu)點(diǎn)，更有效地完成控制任務(wù)，使整個(gè)控制系統(tǒng)更合理。
[0024]第二，本發(fā)明應(yīng)用多個(gè)導(dǎo)航測(cè)量單元，通過多源信息融合算法，能夠得到更加精確的四旋翼無人飛行器飛行參數(shù)，提高控制的精度。
[0025]第三，對(duì)四旋翼無人飛行器建模并在平衡點(diǎn)附近做近似處理，完全解耦成完整驅(qū)動(dòng)部分和欠驅(qū)動(dòng)部分，通過混合控制方法，實(shí)現(xiàn)完整驅(qū)動(dòng)部分的狀態(tài)反饋控制和欠驅(qū)動(dòng)部分的滑?？刂疲隧?xiàng)混合控制方法的應(yīng)用，使得四旋翼無人飛行器的控制精度得到提高，同時(shí)增強(qiáng)在外界擾動(dòng)下的魯棒性。
[0026]第四，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠詳細(xì)的監(jiān)控四旋翼無人飛行器飛行參數(shù)，為控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。
[0027]以下結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1四旋翼無人飛行器平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖
[0029]圖2四旋翼無人飛行器混合控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖
[0030]圖3四旋翼無人飛行器平臺(tái)軟件流程圖
[0031]圖中:1氣壓計(jì)，2慣性測(cè)量單元，3 GPS, 4電子羅盤，5 A/D，6 A/D, 7 RS232，8lie,9采集數(shù)據(jù)部分FPGA，10計(jì)算部分DSP，11 IIC，12 SPI，13電子調(diào)速器ECS，14 Wifi處理器，15機(jī)載wifi無線通信模塊，16 wifi無線通信模塊，17人機(jī)監(jiān)控界面，18雙口RAM, 19高度、航向狀態(tài)反饋控制器，20欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滑?？刂破?，21控制器合成控制器，22高度、航向期望輸入，23水平位置期望輸入，24導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)，B1-B4無刷電機(jī)期望速度，SI微處理器模塊，S2導(dǎo)航測(cè)量系，S3無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，S4 W1-Fi無線通信系統(tǒng)，S5地面站_人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，Ql無刷電機(jī)一號(hào)，Q2無刷電機(jī)二號(hào),Q3無刷電機(jī)三號(hào),Q4無刷電機(jī)四號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0032]四旋翼無人飛行器平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由五個(gè)子模塊組成，其中SI為微處理器模塊，S2為導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)，S3為無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，S4為W1-Fi無線通信系統(tǒng)，S5為人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。各模塊由多個(gè)器件構(gòu)成，其中I為氣壓計(jì)，2為慣性測(cè)量單元，3為GPS模塊，4為電子羅盤，5為A/D轉(zhuǎn)換器件，6為A/D轉(zhuǎn)換器件，7為RS232串行總線，8為IIC總線，9為FPGA處理器，10為DSP處理器，11為IIC總線，12為SPI總線，13為電子調(diào)速器，14為W1-Fi處理器，15為機(jī)載W1-Fi無線通信模塊，16為W1-Fi無線通信模塊，17為人機(jī)監(jiān)控界面，18為雙口 RAM，19為高度、航向狀態(tài)反饋控制器，20為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滑?？刂破?，21為控制量合成控制器。
[0033]四旋翼無人飛行器混合控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中中Ql為無刷電機(jī)一號(hào)，Q2為無刷電機(jī)二號(hào)，Q3為無刷電機(jī)三號(hào)，Q4為無刷電機(jī)四號(hào)，Al為航向角增量，A2為升力增量，A3為橫滾角增量，A4為俯仰角增量，BI為無刷電機(jī)Ql的期望轉(zhuǎn)速，B2為無刷電機(jī)Q2的期望轉(zhuǎn)速，B3為無刷電機(jī)Q3的期望轉(zhuǎn)速，B4為無刷電機(jī)Q4的期望轉(zhuǎn)速。四旋翼無人飛行器主要運(yùn)動(dòng)模式為姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和位置運(yùn)動(dòng)，本發(fā)明分別針對(duì)偏航運(yùn)動(dòng)和俯仰/橫滾運(yùn)動(dòng)進(jìn)行混合控制。
[0034]所述的氣壓計(jì)I用來測(cè)量四旋翼無人飛行器的高度信息，與A/D器件5相連；
[0035]所述的慣性測(cè)量單元2用來測(cè)量四旋翼無人飛行器的的姿態(tài)速率和比力等數(shù)據(jù)，與A/D器件6相連；
[0036]所述的GPS模塊3用來測(cè)量四旋翼無人飛行器的的平面位置信息，與FPGA處理器9的接口為RS232串行總線7 ；
[0037]所述的電子羅盤4、測(cè)量四旋翼無人飛行器的的航向信息，與FPGA處理器9的接口為IIC總線8。
[0038]所述的微處理器模塊包括:[0039][I].FPGA處理器9、通過A/D器件5讀取氣壓計(jì)I數(shù)據(jù)，通過A/D器件6讀取慣性測(cè)量單元2數(shù)據(jù)，通過RS232串行總線7讀取GPS模塊3數(shù)據(jù)，通過IIC總線8讀取電子羅盤4數(shù)據(jù)。FPGA處理器9把所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳入雙口 RAM 18 ；
[0040][2].DSP處理器10、從雙口 RAM 18中獲取導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，從SPI總線12中獲取四旋翼無人飛行器的期望指令，經(jīng)過內(nèi)部混合控制器計(jì)算出四旋翼無人飛行器4個(gè)無刷電機(jī)的期望速度，傳入IIC總線11中，同時(shí)將四旋翼無人飛行器的飛行參數(shù)傳入W1-Fi信號(hào)處理模塊14 ；
[0041][3].雙口 RAM 18、負(fù)責(zé)FPGA處理器9和DSP處理器10之間的數(shù)據(jù)交換，通過地址總線相連接。
[0042]所述的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括:
[0043][I].電子調(diào)速器ECS 13、從IIC總線11中獲取無刷電機(jī)13的期望轉(zhuǎn)速，通過內(nèi)部解算，用PWM控制MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)Q1-Q4。
[0044][2].無刷電機(jī)Q1-Q4，最終執(zhí)行元件，由電子調(diào)速器所控制，4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同能夠改變四旋翼無人飛行器的姿態(tài)和位置。
[0045]所述的W1-Fi無線通信系統(tǒng)包括:
[0046][I].機(jī)載W1-Fi無線通信模塊15、從無線局域網(wǎng)中獲取W1-Fi無線通信模塊16獲取四旋翼無人飛行器的期望指令，傳入W1-Fi信號(hào)處理模塊14，同時(shí)從W1-Fi信號(hào)處理模塊14中獲取四旋翼無人飛行器的飛行參數(shù)發(fā)送至無線網(wǎng)中。
[0047][2].W1-Fi無線通信模塊16、與人機(jī)監(jiān)控界面17采用互聯(lián)網(wǎng)接口通信獲取四旋翼無人飛行器的期望指令，并將以上信息發(fā)送至無線網(wǎng)中。
[0048][3].W1-Fi信號(hào)處理模塊14、從機(jī)載W1-Fi無線通信模塊15中獲取數(shù)據(jù)傳入SPI總線12，同時(shí)從SPI總線12中獲取四旋翼無人飛行器的飛行參數(shù)傳入機(jī)載W1-Fi無線通信模塊15。
[0049]所述的人機(jī)監(jiān)控界面17、用來對(duì)四旋翼無人飛行器的飛行參數(shù)做實(shí)時(shí)記錄和繪圖，動(dòng)態(tài)顯示四旋翼無人飛行器的姿態(tài)，通過局域網(wǎng)發(fā)送期望指令到W1-Fi無線通信模塊16中。
【權(quán)利要求】
1.一種基于混合控制方法的四旋翼無人飛行器平臺(tái)，其特征在于飛行器平臺(tái)結(jié)構(gòu)包括五個(gè)子模塊，其中SI為微處理器模塊，S2為導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)，S3為無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，S4為W1-Fi無線通信系統(tǒng)，S5為人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，各模塊由多個(gè)器件構(gòu)成，其中(I)為氣壓計(jì)，(2)為慣性測(cè)量單元，(3)為GPS模塊，(4)為電子羅盤，(5)為A/D轉(zhuǎn)換器件，(6)為A/D轉(zhuǎn)換器件，(7)為RS232串行總線，(8)為IIC總線，(9)為FPGA處理器，(10)為DSP處理器，(11)為IIC總線，(12)為SPI總線，(13)為電子調(diào)速器，(14)為W1-Fi處理器，(15)為機(jī)載W1-Fi無線通信模塊，(16)為W1-Fi無線通信模塊，(17)為人機(jī)監(jiān)控界面，(18)為雙口RAM, (19)為高度、航向狀態(tài)反饋控制器，(20)為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滑?？刂破鳎?21)為控制量合成控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于混合控制方法的四旋翼無人飛行器平臺(tái)，其特征在于所述的飛行器混合控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)由以下元素構(gòu)成，其中:Q1為無刷電機(jī)一號(hào)，Q2為無刷電機(jī)二號(hào)，Q3為無刷電機(jī)三號(hào)，Q4為無刷電機(jī)四號(hào),Al為航向角增量,A2為升力增量，A3為橫滾角增量，A4為俯仰角增量，BI為無刷電機(jī)Ql的期望轉(zhuǎn)速，B2為無刷電機(jī)Q2的期望轉(zhuǎn)速，B3為無刷電機(jī)Q3的期望轉(zhuǎn)速，B4為無刷電機(jī)Q4的期望轉(zhuǎn)速。
【文檔編號(hào)】G05D1/10GK103809596SQ201210448706
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月12日
【發(fā)明者】王璐, 廖粵峰, 趙自超, 許可, 李冰, 馬濤 申請(qǐng)人:哈爾濱恒譽(yù)名翔科技有限公司