一種雙餘度傳感器的微小型無人直升機自動飛行控制系統的製作方法

2023-05-10 19:23:31

本發明公開了一種雙餘度傳感器的微小型無人直升機自動飛行控制系統，屬於微小型無人直升機的控制技術領域。

背景技術：

微小型無人直升機具有低成本、小尺寸、重量輕、機動靈活等特點，它能夠實現垂直爬升/下降、空中懸停、前飛和倒飛、側飛等多種飛行模態，可以適應空間狹小、環境惡劣的場合，這也使微小型無人直升機成為成無人機領域比較熱門的研究對象。

微小型無人直升機是一個非常複雜的系統，具有開環不穩定、氣動參數隨飛行狀態不同而變化及各通道之間存在嚴重氣動耦合等氣動特性。這些因素給控制微小型無人直升機帶來了困難，導致其對飛行控制系統的依賴性很強。

目前微小型無人直升機的姿態傳感器和高度傳感器多採用單模塊設計。而姿態傳感器和高度傳感器是無人機自動飛行的核心部分，兩個模塊出現問題，無人機將會無法按照既定軌跡飛行。

因此，解決上述問題是迫切需要的。

技術實現要素：

本發明提出一種雙餘度傳感器的微小型無人直升機自動飛行控制系統，採用高精度與低精度的雙姿態傳感器，低精度的姿態傳感器用於監測與備份；在微小型無人直升機的電池電量不足時，會根據電池電量的大小對高度控制進行補償，解決由於動力電池電量不足而高度控制不穩、掉高問題。

本發明為解決其技術問題採用如下技術方案：

一種雙餘度傳感器的微小型無人直升機自動飛行控制系統，包括機載部分和地面站部分，所述機載部分包括飛行控制單元、六軸傳感器、三軸磁場傳感器、氣壓計、電可擦可編程只讀存儲器、mti航姿傳感器、空速計、無線傳輸模塊、電源模塊、接收機、差分gps、無刷直流電機和舵機，其中飛行控制單元通過電子調速器分別與無刷直流電機和舵機連接，六軸傳感器、三軸磁場傳感器、氣壓計、電可擦可編程只讀存儲器、mti航姿傳感器和空速計與飛行控制單元連接；差分gps接收機通過usart串口與飛行控制單元連接，電源模塊通過ad接口與飛行控制單元相連，接收機通過uart串口與飛行控制單元連接，無線數傳模塊通過通用異步收發傳輸器串口與飛行控制單元雙向連接；所述地面站部分包括地面站、無線數傳模塊和遙控器，地面站和無線數傳模塊雙向連接，地面無線數傳模塊與機載部分的無線數傳模塊進行數據通訊，接收機和遙控器雙向連接。

所述飛行控制單元採用32位浮點型單片機，控制器為stm32f407。

所述六軸姿態傳感器選用美國invensense公司生產的mpu-6000。

所述三軸磁場傳感器採用的是honeywell公司的hmc5883l。

所述氣壓計採用由瑞士meas公司推出的高解析度氣壓傳感器ms5611。

本發明的有益效果如下：

（1）採用航姿傳感器雙餘度，提高微小型無人直升機飛行的可靠性與安全性。

（2）加入地面站與數傳模塊，可以隨時觀測無人機當前的姿態信息。

（3）在高度保持中融合電池的電量，可保證微小型無人直升機在電池電量低的情況下，依然能夠高度保持，有效的解決在低電狀態下，高度不穩的問題。

附圖說明

圖1為本發明軟體控制流程框圖。

圖2為本發明飛行控制系統硬體結構框圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明創造做進一步詳細說明。

本發明採用常規布局微小型無人直升機機體結構，其飛行軌跡及飛行速度由

一個電機和四個舵機控制，所述四個舵機分別用於控制總距、尾槳槳距、橫向周期變距、縱向周期變距。

如圖1所示，為本發明軟體控制流程框圖，分為10hz、50hz和100hz三個更新頻率。系統上電初始化後，每隔0.1秒更新一次實時的高度；每隔0.02秒讀取一次遙控器發出的信號並將當前的飛機的飛行數據發送地面站；每隔0.01秒飛機更新當前的姿態信息及此時的控制指令，由此結算出控制率並將其轉換為電機控制信號。

如圖2所示，該微小型無人直升機姿態控制系統，包括機載部分和地面站控制部分。機載部分包括飛行控制單元（cpu）、傳感器模塊、無線數傳模塊、電源模塊、接收機等。pwm（脈衝寬度調製）輸出驅動電路與飛行控制單元（cpu）連接，pwm輸出驅動電路通過輸出pwm波控制電子調速器調速從而控制無刷直流電機和舵機；六軸姿態傳感器、三軸磁場傳感器、氣壓計、電可擦可編程只讀存儲器（eeprom）通過i2c總線與飛行控制單元（cpu）連接；無線數傳模塊通過通用異步收發傳輸器（uart）串口與飛行控制單元（cpu）連接；差分gps通過usart串口與飛行控制單元（cpu）連接；地面站控制部分的地面無線數傳模塊與機載部分的無線數傳模塊進行數據通訊；接收機通過uart串口（採用sbus協議）與飛行控制單元（cpu）連接；電源模塊通過ad接口與飛行控制單元相連。

本發明的機載部分和地面站的通信有兩種方式，即2.4ghz的futaba遙控器無線通信和915mhz無線傳輸模塊通信。futaba遙控器是日本雙葉電子工業株式會社生產的一款航模通用的遙控器，與該品牌接收機配套使用。航模操縱者可以通過撥動遙控器上的一些撥杆，各撥杆所處的不同位置對應於不同的行程，能產生具有不同脈寬的各通道遙控pwm信號。無線數傳模塊傳輸頻率為915mhz，最大傳輸距離為700m，分為兩個模塊，分別是air模塊（串口）用於飛行器搭載，ground模塊（usb接口）用於地面連接電腦使用。

（1）飛行控制計算機硬體設計

本發明的飛行控制單元採用32位浮點型單片機，控制器為stm32f407。控制器stm32f407是基於252mips的cortex-m4架構的32位單片機，時鐘頻率高達168mhz，其豐富的硬體接口資源（4個usart，2個usat，3個i2c，3個spi，3個12位ad，2個can等等）及功能強大的dma（directmemoryaccess，也稱為成組數據傳送方式，有時也稱為直接內存操作）控制方式，充分保證多旋翼無人機控制系統的穩定性和實時性。以下對飛行控制計算機詳細描述：

飛行控制單元，集飛控、導航、與地面站通信功能於一身。主要負責讀取氣

壓計、遙控器、姿態傳感器、差分gps接收機的數據，同時負責與地面站進行無線數據傳輸，輸出控制指令給電子調速器，從而控制電機的轉速並將控制指令給舵機控制舵面。姿態傳感器飛行採用高低搭配雙餘度，在正常飛行時，由掛載的mti航姿傳感器（mti）提供姿態和航向數據，板載的航姿傳感器（六自由度姿態傳感器、三自由度磁場傳感器）模塊作為備份和比較監控信號。飛行控制單元不斷檢測mti數據，當數據丟失或者數據一直不變時，視為mti模塊出現故障時，由板載航姿模塊提供姿態和航向數據，保證微小型無人直升機的穩定飛行。高度同樣採用高低精度雙餘度控制，雖然差分gps接收機接收數據精度高，誤差在10cm內，可是數據依賴基站，數據有丟失的可能性，故採用低精度的氣壓計高度作為備份和監控。

（2）傳感器模塊的設計

本發明中使用到的傳感器系統包括：

①姿態傳感器：高精度mti航姿傳感器，低精度mpu6000和hmc5883l組合九軸姿態傳感，構成姿態傳感器的雙餘度。

mti航姿傳感器採用的是xsens公司的mti-300，具有抗機械抖動和撞擊的優異性能，能直接輸出高精度的3軸角度、3軸角速率和3軸加速度等數據。靜態條件下，滾轉角與俯仰角測量偏差在0.2°-0.25°之間；動態情況下，其測量偏差分別為0.3°-1.0°之間，偏航角測量偏差最大為1.0°。提供高達2khz輸出數據頻率和低於2ms的數據延遲。其通過串口與飛行控制電源連接。

六軸姿態傳感器選用美國invensense公司生產的mpu-6000，其整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，為全球首例整合性6軸運動處理組件。相較於多組件方案，mpu-6000免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間，具有低功耗、低成本、高性能的特點。傳感器的測量數據最終可通過最高400khz的i2c總線或最高20mhz的spi總線輸出。

三軸磁場傳感器採用的是honeywell公司的hmc5883l。該傳感器能在±8高斯的磁場中實現5毫高斯解析度，內置自檢功能，能讓羅盤航向精度精確到1°-2°，採用霍尼韋爾各向異性磁阻(amr)技術，具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點。

②無線數傳模塊無線數傳模塊是該發明中用於遠程控制無人機一種方法，其控制範圍決定了無人機的飛行半徑。無線數傳模塊用於實現位於地面的地面站和位於空中無人機搭載的飛控系統間的數據互傳。該設計選用3drradiotelemetry數傳模塊，傳輸頻率為915mhz，最大傳輸距離為700m，使用uart接口輸出數據。

③氣壓計氣壓計採用由瑞士meas公司推出的新一代高解析度氣壓傳感器ms5611，該傳感器用來測量多旋翼飛行器絕對飛行高度。該模塊包含了一個高線性度的壓力傳感器和一個超低功耗的24位模數轉換器，提供了一個精確的24位數字壓力值和溫度值以及不同的操作模式，可以提高轉換速度並優化電流消耗。高解析度的溫度輸出無須額外傳感器可實現高度計/溫度計功能。工作溫度範圍：-40-85℃，精確度：在飛行高度750m時，偏差-1.5m~+1.5m。

④eeprom本發明使用eeprom採用t24c256，t24c256是atmel公司256kbit串行電可擦的可編程只讀存儲器，8引腳雙排直插式封裝，結構緊湊、存儲容量大，通過i2c總線與飛控傳輸信息，其板載在飛控板上。

⑤差分gps本發明使用novatel推出的oem617，具有模塊化的特性為用戶的應用提供了靈活的配置。提供了分米級的定位精度。