一種用于旋翼無(wú)人機(jī)的低空自主導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種旋翼無(wú)人機(jī)的算法控制技術(shù)，特別涉及一種讓旋翼無(wú)人機(jī)保持在 低空進(jìn)行自動(dòng)飛行的控制技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、微電子技術(shù)和新材料技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)空間數(shù)據(jù)的需求再 急速的擴(kuò)大，在農(nóng)林業(yè)檢測(cè)、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)、水文地質(zhì)勘查、數(shù)據(jù)化城鎮(zhèn)規(guī)劃等各個(gè)領(lǐng)域 都需要大量實(shí)時(shí)的空間數(shù)據(jù)。如何快速獲取這些空間數(shù)據(jù)已經(jīng)成為當(dāng)今熱點(diǎn)的研究問(wèn)題。
[0003] 旋翼飛行器應(yīng)用在農(nóng)林業(yè)中，主要是基于它的成本低、體積小、能垂直起降和自主 導(dǎo)航等特性。在農(nóng)林業(yè)采集空間數(shù)據(jù)時(shí)，旋翼無(wú)人機(jī)能夠自主導(dǎo)航，并且飛行的穩(wěn)定性高， 能夠定點(diǎn)懸停進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的采集，能更有利的獲取清晰而準(zhǔn)確的農(nóng)林信息，是作為農(nóng)林 信息采集的有效載體。
[0004] 傳統(tǒng)的測(cè)量方法有衛(wèi)星遙感、大飛機(jī)航拍、定點(diǎn)攝像、手持或車(chē)載式信息采集等。 但是這些傳統(tǒng)的測(cè)量方法在某些情況下是不適用的，并且會(huì)大大的提高成本，這就帶來(lái)了 許多的問(wèn)題：
[0005] 1.傳統(tǒng)的測(cè)量方法受地區(qū)天氣影響巨大，對(duì)采集的數(shù)據(jù)干擾大，如：四川盆地的 多云霧天氣，這時(shí)候利用衛(wèi)星和大飛機(jī)為平臺(tái)的航空航天測(cè)量經(jīng)常受云層遮擋獲取，很難 拍攝到重疊度符合要求的高分辨率影像。
[0006] 2.在農(nóng)林業(yè)方面，由于我國(guó)作物種植情況復(fù)雜，作物品種多樣，農(nóng)戶(hù)規(guī)模較小，在 較小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的情況下，傳統(tǒng)測(cè)量方法達(dá)不到要求，并且成本高，低空農(nóng)田信息 獲取系統(tǒng)有著更好的發(fā)展前景。
[0007] 3.大型固定翼飛機(jī)的航拍需要滑翔跑到，對(duì)場(chǎng)地的要求嚴(yán)格，不能垂直起降，不能 滿(mǎn)足場(chǎng)地要求的情況下則不能適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種旋翼無(wú)人機(jī)的低空自主導(dǎo)航系 統(tǒng)，讓旋翼無(wú)人機(jī)利用低空自主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行低空數(shù)據(jù)采集，彌補(bǔ)了衛(wèi)星光學(xué)遙感和普通 航空攝影經(jīng)常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷。
[0009] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0010] 一種用于旋翼無(wú)人機(jī)的低空自主導(dǎo)航系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)采集裝置、ARM處理器，所述 ARM處理器內(nèi)置數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、制導(dǎo)控制回路模塊和姿態(tài)控制回路模塊；
[0011] 所述數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊用于對(duì)數(shù)據(jù)采集裝置采集的旋翼無(wú)人機(jī)的當(dāng)前位置速度數(shù) 據(jù)信息進(jìn)行過(guò)樣濾波和誤差補(bǔ)償；
[0012] 所述數(shù)據(jù)融合模塊用于對(duì)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊處理的當(dāng)前位置數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融 合和更新，并獲取旋翼無(wú)人機(jī)的當(dāng)前位置及速度；
[0013] 所述制導(dǎo)控制回路模塊用于根據(jù)旋翼無(wú)人機(jī)自主飛行時(shí)的目標(biāo)航路點(diǎn)和實(shí)際位 置之間的誤差得到期望姿態(tài)角和期望高度值；
[0014] 所述姿態(tài)控制回路模塊用于根據(jù)期望姿態(tài)角和期望高度值計(jì)算出油門(mén)、俯仰、橫 滾和航向的控制量控制旋翼無(wú)人機(jī)自主飛行。
[0015] 優(yōu)選地，所述的數(shù)據(jù)采集裝置包含加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、GPS、光流圖像傳感 器以及超聲波測(cè)距儀，其中加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)對(duì)飛行狀態(tài)下的旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行姿 態(tài)矩陣的量測(cè)，GPS，光流圖像傳感器和超聲波測(cè)距儀對(duì)無(wú)人機(jī)的位置、高度和速度進(jìn)行量 測(cè) 。
[0016] 優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊還用于對(duì)陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)在使用前進(jìn)行 標(biāo)定和矯正誤差，GPS的時(shí)間同步和光流傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償；
[0017] 其中所述矯正誤差主要包括零偏誤差、標(biāo)度因子誤差、非正交誤差和噪聲；所述陀 螺儀要標(biāo)定溫差；所述GPS的時(shí)間同步是通過(guò)遞推計(jì)算來(lái)彌補(bǔ)數(shù)據(jù)接收的時(shí)滯周期。
[0018] 優(yōu)選地，所述的數(shù)據(jù)融合模塊利用離散卡爾曼濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和更新，并構(gòu)建 系統(tǒng)方程、姿態(tài)量測(cè)方程和位、速度量測(cè)方程獲取旋翼無(wú)人機(jī)的當(dāng)前位置及速度。
[0019] 依據(jù)上述特征，所述旋翼無(wú)人機(jī)為四軸飛行器，所述四軸飛行器配有四個(gè)旋漿，四 個(gè)旋漿兩兩相對(duì)交叉呈十字交叉結(jié)構(gòu)，每個(gè)旋漿配有一個(gè)無(wú)刷電機(jī)與ARM控制器相連，通 過(guò)姿態(tài)控制回路模塊輸出的控制量控制無(wú)刷電機(jī)運(yùn)作。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0021] 1)利用旋翼無(wú)人機(jī)可以在低空飛行，這樣就克服由于天氣變化的影響導(dǎo)致的視線 受到云層遮擋和云霧干擾的問(wèn)題，并且能夠減小對(duì)采集數(shù)據(jù)的干擾性。
[0022] 2)低空自主導(dǎo)航旋翼無(wú)人機(jī)可以對(duì)小范圍的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的采集，能夠滿(mǎn)足 我國(guó)農(nóng)林業(yè)發(fā)展方面的種作物種類(lèi)復(fù)雜的情況，如果此時(shí)采用大飛機(jī)航拍和衛(wèi)星遙控不能 得到精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，而且會(huì)大大的增加成本。
[0023] 3)與固定翼飛機(jī)相比，旋翼無(wú)人機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)是能夠垂直起降和實(shí)現(xiàn)懸停，更利 于獲得清晰與準(zhǔn)確的空間數(shù)據(jù)。四旋翼飛行器可以通過(guò)反扭矩作用使飛行器扭矩平衡，而 不需要專(zhuān)門(mén)的反扭矩槳，所以這種飛行器設(shè)計(jì)起來(lái)比直升機(jī)簡(jiǎn)單得多，而且采用多螺旋槳 結(jié)構(gòu)可以提尚負(fù)載能力
[0024] 4)旋翼無(wú)人機(jī)能夠進(jìn)行預(yù)設(shè)的路線進(jìn)行自主導(dǎo)航，能夠大大的減少人力物力，并 且實(shí)施起來(lái)靈活方便。
[0025] 5)旋翼無(wú)人機(jī)能夠定點(diǎn)懸停，并且姿態(tài)解算精度高，飛行的穩(wěn)定性好，能夠?yàn)楂@取 精準(zhǔn)的農(nóng)林業(yè)空間數(shù)據(jù)提供良好的載體。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖Ia為旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)體坐標(biāo)系示意圖；
[0027] 圖Ib為旋翼無(wú)人機(jī)的地理坐標(biāo)系示意圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明中的數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)融合模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖3為本發(fā)明中制導(dǎo)控制回路模塊和姿態(tài)控制回路模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0031] 圖la、圖Ib所示的是四旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)體坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系示意圖，其機(jī)體坐 標(biāo)系b的原點(diǎn)0取在飛行器質(zhì)心處，\在飛行器平面內(nèi)指向機(jī)架的前電機(jī)，Y b在飛行器平 面內(nèi)指向左電機(jī)，Zb垂直于X b0Yb平面豎直向上。地面坐標(biāo)系g的原點(diǎn)0為地面上一點(diǎn)，Xg 指向北極，Xg指向水平方向東，Zg垂直于水平面向上。
[0032] 如圖2所示是旋翼無(wú)人機(jī)的低空自主導(dǎo)航系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)預(yù)處理模 塊、數(shù)據(jù)融合模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。數(shù)據(jù)采集裝置包含的導(dǎo)航傳感器有陀螺儀、加速度計(jì)、磁 力計(jì)、超聲波測(cè)距儀、GPS以及光流傳感器。
[0033] 在數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊中，為了保證在低空飛行時(shí)GPS信號(hào)較弱甚至丟失的情況下飛 行器的位置估計(jì)精度及可靠性，采用了光流圖像傳感器與超聲波測(cè)距儀分別對(duì)水平位置和 高度進(jìn)行測(cè)量。由于陀螺儀存在溫度漂移誤差，加速度計(jì)在受到大震蕩的時(shí)候產(chǎn)生測(cè)量噪 聲，磁力計(jì)易收到外部磁場(chǎng)干擾，所以采用陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)，共同對(duì)姿態(tài)矩陣進(jìn) 行測(cè)量，抑制姿態(tài)角和航向角的長(zhǎng)期發(fā)散，提高測(cè)量精度。其中陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)和 超聲波測(cè)距儀采用的是SPI總線通信，GPS和光流傳感器采用的是串口通信。將加速度計(jì)、 陀螺儀、磁力計(jì)和超聲波測(cè)距儀經(jīng)采樣濾波之后進(jìn)行誤差補(bǔ)償，GPS進(jìn)行時(shí)間同步處理，光 流傳感器進(jìn)行誤差補(bǔ)償。
[0034] 在數(shù)據(jù)融合模塊中，將經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行離散卡爾曼濾波處理，融合 數(shù)據(jù)后輸出姿態(tài)位置和速度量。在數(shù)據(jù)融合過(guò)程中量測(cè)更新包括姿態(tài)量測(cè)與位置、速度量 測(cè)，在姿態(tài)量測(cè)更新過(guò)程中，采用加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)在旋翼無(wú)人機(jī)的特定飛行狀態(tài) 時(shí)對(duì)姿態(tài)矩陣進(jìn)行量測(cè)，抑制姿態(tài)角和航向角的長(zhǎng)期發(fā)散。采用GPS、超聲波測(cè)距儀和光流 圖像傳感器對(duì)位置和速度進(jìn)行量測(cè)。經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償和離散卡爾曼濾波最終融合后的狀態(tài)估 計(jì)值輸出到制導(dǎo)及姿態(tài)控制回路中即圖3。
[0035] 陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)采集的數(shù)據(jù)在使用前需要進(jìn)行標(biāo)定和誤差校正，其誤 差主要包括零偏、標(biāo)度因子誤差和非正交誤差等。其中由于陀螺儀的零偏對(duì)溫度非常敏感， 需要進(jìn)行溫度標(biāo)定。磁力計(jì)的輸出受機(jī)體器件分布及外部磁環(huán)境的影響，本設(shè)計(jì)將傳感器 固定在旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)翼處。該建模的隨機(jī)噪聲為隨機(jī)游走和白噪聲，根據(jù)比例方程得到 的隨機(jī)模型
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