本發(fā)明涉及無人機控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種可分離式無人機控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的控制系統(tǒng)絕大部分還只是保證單個無人機能夠平穩(wěn)飛行，而可分離式無人機與常規(guī)的無人機不同，它除了需要平穩(wěn)飛行外，需要在特定的某些情況下(如發(fā)現(xiàn)不明飛行目標(biāo))自身分離，分離后為了完成相應(yīng)的任務(wù)，無人機必須實現(xiàn)協(xié)同。無人機要實現(xiàn)協(xié)同，需要考慮的因素有很多，比如任務(wù)環(huán)境復(fù)雜性、通信約束的復(fù)雜性和計算復(fù)雜度，單就計算復(fù)雜度而言，現(xiàn)有的單核控制系統(tǒng)的計算速度和效率還不足以滿足可分離式無人機的功能要求。

經(jīng)檢索，中國專利申請?zhí)?01410596191.2，申請日為2014年10月30日，發(fā)明專利名稱為：一種無人機控制系統(tǒng)，該發(fā)明包括電源模塊、陀螺儀、加速度計、RC接收機、輔助模塊、飛控計算機、電子調(diào)速器、無刷電機，電源模塊與陀螺儀、加速度計、RC接收機、輔助模塊的電源輸入端相連；電源模塊還與飛控計算機的電源輸入端相連；飛控計算機與電子調(diào)速器相連，電子調(diào)速器與無刷電機相連。可以看出，該發(fā)明僅是常見的無人機控制系統(tǒng)，其在數(shù)據(jù)運算方面的性能一般，很難完成對于數(shù)據(jù)量大的運算，幾乎不可能實現(xiàn)可分離式無人機的協(xié)同控制。

中國專利申請?zhí)?01210441097.0，申請日為2012年11月7日，發(fā)明專利名稱為：一種基于CAN總線的無人機飛行控制系統(tǒng)，該發(fā)明公開了一種基于CAN總線的無人機飛行控制系統(tǒng)，包括主控芯片、轉(zhuǎn)換控制芯片和傳感器單元；傳感器單元包括分別用于采集姿態(tài)、磁航向、高度、缸溫和排氣溫度、轉(zhuǎn)速、位置和速度信息的姿態(tài)傳感器、磁傳感器、氣壓高度計、溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和GPS接收模塊；轉(zhuǎn)換控制芯片對輸入的無人機發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信息，以及無人機發(fā)動機的缸溫和排氣溫度進行轉(zhuǎn)換后，將已轉(zhuǎn)換信息通過CAN總線傳輸給主控芯片；主控芯片根據(jù)傳感器單元采集的信息對無人機飛行控制進行運算，轉(zhuǎn)換控制芯片根據(jù)主控芯片輸出的控制策略信息輸出舵機控制信號?？梢钥闯鲈摪l(fā)明僅是在一般常見的無人機控制系統(tǒng)上通過CAN總線擴展了舵機的控制模塊，只是提高了該飛行控制系統(tǒng)的擴展性而并未提升系統(tǒng)在控制邏輯和數(shù)據(jù)運算方面的性能，很難滿足對可分離式無人機進行協(xié)同控制的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是利用ARM在實現(xiàn)復(fù)雜算法和控制邏輯上的靈活性和FPGA在控制復(fù)雜度低、數(shù)據(jù)量大的運算上的優(yōu)勢，提供一種基于ARM與FPGA結(jié)合的可分離式無人機控制系統(tǒng)，能充分滿足可分離式無人機的實現(xiàn)協(xié)同、追蹤及捕獲功能要求。

為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種可分離式無人機控制系統(tǒng)，包括相同的兩飛行控制系統(tǒng)，分別位于可分離式無人機的兩分離部，兩分離部在分離后即為兩獨立無人機，在可分離式無人機分離前兩飛行控制系統(tǒng)為主從控制模式，在可分離式無人機后兩飛行控制系統(tǒng)為協(xié)同控制模式；

所述飛行控制系統(tǒng)，包括：主控模塊、慣性測量單元、氣壓傳感器、外置存儲模塊、GPS接收模塊、視覺模塊和接收機模塊；

所述主控模塊由ARM處理器和FPGA構(gòu)成，ARM完成飛行控制系統(tǒng)的姿態(tài)解算和控制算法功能；FPGA與視覺模塊連接，用于完成目標(biāo)識別和跟蹤，并將目標(biāo)的速度、與無人機的位置信息傳遞給ARM處理器；

所述慣性測量單元，用于確定無人機的姿態(tài)，并測量無人機相對磁場的航向；

所述氣壓傳感器，將測量的環(huán)境氣壓數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM處理器，ARM處理器進行解算確定無人機的海拔高度；

所述外置存儲模塊，用于保存無人機飛行過程中的姿態(tài)和位置信息，方便離線分析無人機飛行數(shù)據(jù)，調(diào)整參數(shù)；

所述GPS模塊將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM處理器，ARM處理器進行解算確定無人機的空間位置信息和速度信息；

所述視覺模塊在可分離式無人機控制系統(tǒng)整個控制過程中，將圖像信息發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)圖像信息識別空中飛行物體，同時解算出目標(biāo)相對無人機本身的位置及速度信息，用于引導(dǎo)無人機對目標(biāo)進行追蹤；

接收機模塊用于在人工模式下接收遙控器的命令，通知本機飛行控制系統(tǒng)完成命令對應(yīng)的動作。

進一步的，在所述可分離式無人機的兩分離部分離前，位于可分離式無人機的兩分離部的飛行控制系統(tǒng)的配合模式為主從控制模式，記為主飛行控制系統(tǒng)、從飛行控制系統(tǒng)；其中：主飛行控制系統(tǒng)通過有線或無線通信模塊給從飛行控制系統(tǒng)傳輸所在一側(cè)電機的控制信號，從飛行控制系統(tǒng)接收到該控制信號進過計算后給電調(diào)提供PWM，再由電調(diào)根據(jù)PWM信號控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速；從飛行控制系統(tǒng)中慣性測量單元提供角速度和加速度及飛機航向數(shù)據(jù)，GPS提供位置和速度數(shù)據(jù)，從飛行控制系統(tǒng)將以上數(shù)據(jù)通過無線通信模塊傳輸給主飛行控制系統(tǒng)形成反饋，從而在可分離式無人機飛行之前，主飛行控制系統(tǒng)同時控制可分離式無人機的飛行部件，從飛行控制系統(tǒng)配合主飛行控制系統(tǒng)反饋當(dāng)前狀態(tài)信號同時接收主飛行控制系統(tǒng)的控制信號。

進一步的，在所述可分離式無人機的兩分離部分離后，位于可分離式無人機的兩分離部的飛行控制系統(tǒng)的配合模式為協(xié)同控制模式，主飛行控制系統(tǒng)和從飛行控制系統(tǒng)均獨立在各自所在的分離部平穩(wěn)飛行，同時主飛行控制系統(tǒng)與從飛行控制系統(tǒng)之間相互傳遞包括位置及速度在內(nèi)的信息，并基于上述信息主飛行控制系統(tǒng)和從飛行控制系統(tǒng)執(zhí)行設(shè)計好的協(xié)同算法，使得分離后的兩獨立無人機能夠保持一定間距，并協(xié)同飛行。

進一步的，當(dāng)所述可分離式無人機用于捕獲飛行目標(biāo)時，主飛行控制系統(tǒng)和從飛行控制系統(tǒng)通過視覺模塊在近距離內(nèi)起視覺導(dǎo)航作用，對飛行目標(biāo)進行視覺跟蹤。

進一步的，所述慣性測量單元包括陀螺儀傳感器、加速度傳感器和磁場傳感器，所述陀螺儀傳感器、加速度傳感器獲取無人機的角速度和加速度，用于確定無人機的姿態(tài)；所述磁場傳感器用于獲取飛機航向數(shù)據(jù)，測量無人機相對磁場的航向。

控制器采用ARM和FPGA組合的方案

實際工作中，ARM控制器、FPGA雙目視覺避障和測量模塊以及周邊傳感器、數(shù)據(jù)存儲單元、GPS單元等同時工作，相互通訊。ARM融合前述的包括姿態(tài)、位置、高度、相對飛行目標(biāo)的距離目標(biāo)的速度等信息，通過控制算法，實現(xiàn)對可分離式無人機的飛行控制。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1)本發(fā)明除了能實現(xiàn)現(xiàn)有一般無人機控制系統(tǒng)的所有功能外，還能夠?qū)煞蛛x式的無人機進行協(xié)同控制，完成在一般無人機控制系統(tǒng)下不能完成的協(xié)同任務(wù)；

2)本發(fā)明基于ARM+FPGA的架構(gòu)，能夠進行大數(shù)據(jù)的運算，而且實時性好，效率高，控制靈活，能及時提供有用信息。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一實施例的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明一實施例的主從控制模式示意圖；

圖3為本發(fā)明一實施例的協(xié)同控制模式示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，一種可分離式無人機控制系統(tǒng)，包括相同的兩飛行控制系統(tǒng)，分別位于分離式無人機的兩分離部，當(dāng)兩分離部未分離前，其中一飛行控制系統(tǒng)為主控系統(tǒng)，另外一飛行控制系統(tǒng)為輔助控制系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)同時工作；當(dāng)兩分離部分離，原來的無人機分離成兩個單獨飛行的單翼無人機，此時，兩飛行控制系統(tǒng)在物理上分離，通過有線或者無線方式相互通訊，協(xié)調(diào)工作，完成協(xié)同飛行。

每個所述飛行控制系統(tǒng)，包括：主控模塊、慣性測量單元、氣壓傳感器、外置存儲模塊、GPS接收模塊、視覺模塊和接收機模塊；

所述主控模塊由ARM處理器和FPGA構(gòu)成，ARM完成飛行控制系統(tǒng)的姿態(tài)解算和控制算法功能；FPGA與視覺模塊連接，用于完成目標(biāo)識別和跟蹤，并將目標(biāo)的速度、與無人機的位置信息傳遞給ARM處理器；

所述慣性測量單元，用于確定無人機的姿態(tài)，并測量無人機相對磁場的航向；

所述氣壓傳感器將環(huán)境氣壓的測量數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM處理器，ARM處理器進行解算確定無人機的海拔高度；

所述外置存儲模塊，用于保存無人機飛行過程中的姿態(tài)和位置信息，方便離線分析無人機飛行數(shù)據(jù)，調(diào)整參數(shù)；

GPS模塊將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM處理器，ARM處理器進行解算確定無人機的空間位置信息和速度信息；

視覺模塊將圖像信息發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)圖像信息識別空中飛行物體，同時解算出目標(biāo)相對無人機本身的位置及速度信息，用于引導(dǎo)無人機對目標(biāo)進行追蹤；

接收機模塊用于在人工模式下接收遙控器的命令，通知本機飛行控制系統(tǒng)完成命令對應(yīng)的動作。

本發(fā)明上述的可分離式無人機的兩分離部，兩分離部在分離后即為兩獨立無人機，在可分離式無人機分離前兩飛行控制系統(tǒng)為主從控制模式，在可分離式無人機后兩飛行控制系統(tǒng)為協(xié)同控制模式。

進一步的，所述飛行控制系統(tǒng)還可以進一步包括電源管理模塊，所述電源管理模塊用于給控制器、傳感器和其他電路模塊供電。

進一步的，所述飛行控制系統(tǒng)還可以進一步無線通信模塊，用于無人機間傳遞姿態(tài)、相對飛行目標(biāo)的距離、自身位置、速度數(shù)據(jù)。

進一步的，所述慣性測量單元包括陀螺儀傳感器、加速度傳感器和磁場傳感器，所述陀螺儀傳感器、加速度傳感器獲取無人機的角速度和加速度，用于確定無人機的姿態(tài)；所述磁場傳感器用于獲取飛機航向數(shù)據(jù)，測量無人機相對磁場的航向。更優(yōu)選地，陀螺儀傳感器為三軸陀螺儀傳感器，但不限于三軸陀螺儀傳感器，可以為多個高精度單軸陀螺儀的組合；加速度傳感器為三軸加速度傳感器，但不限于三軸加速度傳感器，以為多個高精度單軸加速度傳感器的組合。

所述主控模塊采用ARM+FPGA方案，其中：ARM完成飛行控制系統(tǒng)的姿態(tài)解算和控制算法等功能。FPGA與視覺模塊連接，用于完成目標(biāo)識別和跟蹤，并將目標(biāo)的速度、與無人機的位置等信息通過通信接口，如SPI接口傳遞給ARM；

在無人機分離前，位于兩翼的飛行控制系統(tǒng)的配合模式為主從控制模式，記：主飛行控制系統(tǒng)為A、從飛行控制系統(tǒng)為B；如圖2所示，主飛行控制系統(tǒng)A通過無線通信模塊給從飛行控制系統(tǒng)B傳輸電機的控制信號，從飛行控制系統(tǒng)B接收到該控制信號后，給電調(diào)產(chǎn)生PPM信號，再由電調(diào)產(chǎn)生PWM信號控制無刷電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速；從飛行控制系統(tǒng)B中由三軸陀螺儀傳感器、三軸加速度傳感器和磁場傳感器組成的慣性測量單元提供角速度和加速度及飛機航向數(shù)據(jù)，GPS提供位置和速度數(shù)據(jù)，從飛行控制系統(tǒng)B將以上數(shù)據(jù)通過無線通信模塊傳輸給主飛行控制系統(tǒng)A形成反饋，這樣在可分離式無人機飛行之前，主飛行控制系統(tǒng)A同時可以控制兩翼的四只螺旋槳，從飛行控制系統(tǒng)B配合主飛行控制系統(tǒng)A反饋當(dāng)前狀態(tài)信號同時接收主飛行控制系統(tǒng)A的控制信號；

在無人機分離后，位于兩翼的飛行控制系統(tǒng)的配合模式為協(xié)同控制模式；如圖3所示，相對于分離前的主從控制模式，主飛行控制系統(tǒng)A和從飛行控制系統(tǒng)B均能獨立所在的單翼平穩(wěn)飛行，同時主飛行控制系統(tǒng)A與從飛行控制系統(tǒng)B之間通過無線傳輸模塊相互傳遞包括位置及速度在內(nèi)的信息；并基于以上信息主飛行控制系統(tǒng)A和從飛行控制系統(tǒng)B就可以進行執(zhí)行設(shè)計好的協(xié)同算法，使得分離后的兩個無人機能夠保持一定間距，并協(xié)同飛行；當(dāng)該無人機用于捕獲飛行目標(biāo)時，主飛行控制系統(tǒng)A和從飛行控制系統(tǒng)B通過視覺模塊可以在近距離內(nèi)起視覺導(dǎo)航作用，對飛行目標(biāo)進行視覺跟蹤。

ARM處理器接收慣性測量單元的數(shù)據(jù)，進行姿態(tài)解算，同時接收由GPS模塊提供的位置信息，氣壓傳感器的高度信息，而通信模塊用于可分離式無人機間傳遞姿態(tài)、相對飛行目標(biāo)的距離、自身位置、速度的數(shù)據(jù)，電源管理模塊給包括上述傳感器、通信模塊在內(nèi)的整個無人機控制系統(tǒng)供電。FPGA與視覺模塊連接，用于完成目標(biāo)識別和跟蹤，并將目標(biāo)的速度、與無人機的位置等信息通過通信接口傳遞給ARM處理器。

本發(fā)明針對可分離式無人機可分離、張網(wǎng)等特點設(shè)計定制化的可分離式無人機控制系統(tǒng)，不僅能滿足無人機穩(wěn)定飛行、安全可靠等一般要求，而且為分離后實現(xiàn)協(xié)同提供良好的硬件基礎(chǔ)，方便實現(xiàn)可分離式無人機追蹤、捕獲、攔截等復(fù)雜任務(wù)。

當(dāng)有外部地面站支撐時，地面站可以將激光/光學(xué)雷達等獲得的目標(biāo)位置信息和可分離式無人機的位置信息等，利用無線傳輸方式傳遞給飛行控制系統(tǒng)，幫助分離式無人機修正飛控數(shù)據(jù)，為其提供工作輔助。當(dāng)無線傳輸存在困難的情況下，也可僅依賴起飛時裝訂的目標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)合雙目視覺單元，捕獲目標(biāo)。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要強調(diào)的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。