一種新型四旋翼無人機控制系統的製作方法
2023-10-08 09:45:54
本發明涉及一種四旋翼無人機控制系統，屬於無人機技術領域。
背景技術：
近兩年來，隨著物聯網概念的深入和各類傳感器技術的進步，無人機從之前只服務於政府或航模圈內少數群體，逐漸走向了大眾視野，甚至成為普通人都能擁有的智能產品。在早期市場裡，無人機被廣泛用於航拍、電影、農業、地產、新聞、消防、救援、能源、遙感測繪、野生動物保護等領域，而如果進入了社會生活化的需求中，其市場規模已經有人預計可能達到每年460億元。
然而，雖然無人機市場呈現出「百花齊放」的繁榮景象，無人機控制系統的可靠性依然是一個嚴峻的問題。市場成本的降低，意味著飛機機件和傳感器精密度下降，原本航天級、工業級的傳感器，下降到商用級，會帶來較高的故障率。而相比地面，天空領域對故障容忍率非常低。一旦故障發生，飛機墜機，不管是砸到路人還是汽車，這種潛在的危險無法估量。因此，需要設計出一種穩定可靠的、控制精準的無人機控制系統。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是：提供一種可靠的四旋翼無人機控制系統，本發明具備良好的可控性與可靠性，可以實現對四旋翼無人機的控制。
本發明的技術解決方案：
提供一種新型四旋翼無人機控制系統，包括：機載部分和地面部分；
機載部分包括飛控模塊、擴展功能模塊、電源管理模塊、傳感器模塊、電調部分、電機部分、數傳電臺、遙控器接收機；
傳感器模塊包括慣性測量單元、gps、氣壓計、磁羅盤；慣性測量單元用於測量無人機的姿態及位置信息，並發送給擴展功能模塊；gps用於檢測無人機的位置信息，並發送給擴展功能模塊；氣壓計用於測量無人機所處位置的氣壓參數，並發送給飛控模塊；磁羅盤用於測量無人機所處位置的磁場信息，並發送給擴展功能模塊；
數傳電臺用於通過天線接收地面站的控制指令並發送給飛控模塊，發送無人機狀態參數給地面站；
遙控器接收機用於接收遙控器指令，並發送給飛控模塊；
電源管理模塊：電源管理模塊為無人機控制系統提供電源；
電調部分：包括4個電子調速器，分別用於在飛控模塊的控制下驅動一個電機工作；
電機部分包括4個電機，分別控制一個旋翼的轉速；
擴展單元模塊：由擴展單元模塊的處理器獲取gps採集的無人機的位置信息和磁羅盤採集的無人機所處位置的磁場信息，並選擇性地發送給飛控模塊；接收慣性測量單元採集的姿態及位置信息；擴展單元模塊進行姿態解算，並將結算後的姿態信息發送給飛控模塊；
飛控模塊:接收擴展單元模塊發送的位置和航向；通過數傳模塊接收地面站的控制指令，同時回傳無人機狀態參數給地面站；通過遙控器接收機接收遙控器指令；由飛控處理器進行數據融合與控制解算輸出pwm控制信號給4個電子調速器；
地面部分：接收飛控模塊發送的無人機狀態信息並顯示，在自主控制模式
下向飛控模塊發送飛行指令。
優選的，飛控模塊，控制流程如下：
(1)接收擴展單元模塊發送的姿態信息；
(2)讀取數傳電臺的地面站的控制指令，和遙控器接收機發送的遙控指令，選擇飛行模式，飛行模式共三種包括姿態控制模式，速度控制模式和自主控制模式。
如果選擇姿態控制模式，接收遙控器發送的姿態信息及油門量，通過比對擴展單元模塊解算出的無人機實際姿態信息和遙控器發送的目標姿態信息，計算四個電機相應的目標油門量；
如果選擇速度控制模式，接收遙控器發送的無人機俯仰、橫滾速度信息、無人機在垂直方向上的上升或下降速度，通過無人機俯仰、橫滾速度信息計算四個電機執行的油門量，通過無人機在垂直方向上的上升或下降速度，計算在垂直方向上達到該上升或下降速度所需的油門量，將兩個油門量進行疊加，獲得四個電機的目標油門量；
如果選擇自主控制模式，無人機接收面站的控制信息，根據地面發送的指令結算出目標位置信息，將位置信息依次解算成3個坐標軸方向上的速度、角速度，通過3個坐標軸角速度計算達到目標位置的四個電機的目標油門量。
(3)將四個電機的目標油門量分別發送到對應的電子調速器，驅動電機。
優選的，擴展單元控制模塊控制流程如下：
(1)進行接口初始化；
(2)判斷初始化是否成功，如果初始化成功則進入步驟(3)，否則返回步驟(1)；
(3)等待設定時間後，判斷所接收到的gps和磁羅盤信息是否進行了數據更新，並根據更新情況，選擇性地將gps或磁羅盤信息，或二者發送給飛控模塊；
如果gps和磁羅盤均沒有更新，則向飛控模塊發送磁羅盤的數據；如果磁羅盤更新則gps沒有更新，則向飛控模塊發送磁羅盤的數據；如果gps更新而磁羅盤沒有更新，則向飛控模塊發送gps信息；如果gps和磁羅盤均更新，則向飛控模塊發送gps和磁羅盤信息。
(4)如果發送成功，則返回步驟(3)，如果發送失敗，則重新發送，如果連續發送5次均失敗則進入故障狀態。
優選的，步驟(3)中是否更新的判斷方法為，比較當前gps信息與上一周期中接收的gps信息，如果不一致表明gps數據已更新；比較當前磁羅盤信息與上一周期中接收的磁羅盤信息，如果不一致表明磁羅盤數據已更新。
本發明與現有技術相比具有如下優點：
(1)本發明的四旋翼飛行器利用慣性技術測量飛行器姿態及讀取gps獲取位置信息，利用數據融合技術獲取飛行器狀態信息，經控制器處理後產生四個電機的速度控制信號，從而實現飛行器的位姿控制。
(2)本發明設置三種控制模式，控制方式靈活多樣。
(3)本發明設置擴展單元控制模塊，對gps和磁羅盤是否更新進行判斷，選擇性地發送gps和磁羅盤數據，提高了無人機姿態信息提取的可靠性。
附圖說明
圖1為本發明四旋翼無人機控制系統的系統框圖；
圖2為本發明的無人機結構示意圖；
圖3所示為飛控模塊軟體流程圖；
圖4所示為擴展單元控制流程圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發明的四旋翼無人機控制系統，包括：機載部分和地面部分。其中機載部分又分為飛控部分和雲臺部分；飛控部分由飛控模塊、擴展功能模塊、電源管理模塊、指示燈模塊、傳感器模塊、電調部分、電機部分、數傳電臺、遙控器接收機組成；雲臺部分由雲臺控制器、雲臺、相機、遙控器接收機、圖傳發射機組成。
(1)傳感器模塊包括慣性測量單元(imu)、gps、氣壓計、磁羅盤；慣性測量單元(imu)用於測量無人機的姿態及位置信息，將檢測的信號發送給擴展功能模塊；gps用於檢測無人機的位置信息，將檢測的信號發送給擴展功能模塊；氣壓計用於測量無人機所處位置的氣壓參數，並發送給飛控模塊，進而通過氣壓參數獲得無人機所處高度；磁羅盤用於測量無人機所處位置的磁場信息，進而計算航向信息，將檢測的信號發送給擴展功能模塊；
(2)數傳電臺用於通過天線接收地面站的控制指令並發送給飛控模塊，發送無人機狀態參數給地面站。
(3)遙控器接收機用於接收遙控器指令，並發送給飛控模塊。
(4)電源管理模塊：電源管理模塊為飛控模塊提供5v/3a電源及電池檢測電壓，通過飛控模塊的內部電源晶片進行電壓轉換，變換為處理器及外圍模塊正常工作的電源；同時接收飛行狀態指令信號並通過i2c接口控制指示燈模塊指示相應的飛行狀態；電源管理單元與飛控模塊的通信接口可選rs232或can。
(5)電調部分：包括4個電子調速器，分別用於在飛控模塊的控制下驅動電機工作；
(6)電機部分為無人機飛行執行機構，在本實施例中，共四個電機，分別控制四個旋翼的轉速。
(7)擴展單元模塊：由擴展單元模塊的處理器通過usart獲取gps採集的無人機的位置信息，通過i2c接口獲取磁羅盤採集的無人機所處位置的磁場信息，然後通過usart發送給飛控模塊；通過i2c接口接收慣性測量單元(imu)採集的姿態及位置信息；擴展單元模塊進行姿態解算，並將解算後的姿態信息發送給飛控模塊，如圖4所示為其控制流程圖。
(8)飛控模塊:通過給電源管理模塊提供飛行狀態指令，由電源管理模塊控制指示燈模塊更新飛行狀態；接收擴展單元模塊發送的位置和航向；通過數傳模塊接收地面站的控制指令，將無人機狀態參數發送給地面站；通過遙控器接收機接收遙控器指令；由飛控處理器進行數據融合與控制解算輸出pwm控制信號給各軸電調；如圖3所示為飛控模塊軟體流程圖。
(9)雲臺模塊：用於圖像採集；
(10)地面部分由地面站、飛機遙控器、雲臺遙控器組成，其中地面站接收飛控模塊發送的無人機狀態信息並顯示，在自主控制模式下向飛控模塊發送飛行指令。飛機遙控器用於發送遙控指令。雲臺遙控器用於控制雲臺姿態。
如圖3所示，本發明飛控模塊，控制流程如下：
(1)接收擴展單元模塊發送的姿態信息；
(2)讀取數傳電臺的地面站的控制指令，和遙控器接收機發送的遙控指令，選擇飛行模式，飛行模式共三種包括姿態控制模式，速度控制模式和自主控制模式。
如果選擇姿態控制模式，接收遙控器發送的姿態信息及油門(油門為達到某一飛行高度電機轉速，四個電機均執行該油門量)，通過比對擴展單元模塊發送的姿態信息和遙控器發送的姿態指令，將姿態偏差轉換為相應的舵翼偏角，並解算出相應的控制量。將水平方向動作所需的油門量補償到遙控器所產生的油門指令信息，計算相應的四個電機的目標油門量；
如果選擇速度控制模式，接收遙控器發送的無人機俯仰、橫滾速度信息、無人機在垂直方向上的上升或下降速度，通過無人機俯仰、橫滾速度信息解算出該速度指令所對應的姿態角，再由姿態角解算出對應的控制量。通過無人機在垂直方向上的上升或下降速度，計算在垂直方向上達到該上升或下降速度所需的油門量，將水平方向動作所需的油門量疊加到垂直動作所需的油門量，獲得四個電機的目標油門量；
如果選擇自主控制模式，無人機接收地面站的控制信息，根據地面發送的指令結算出目標位置信息，將位置信息依次結算成3個坐標軸(機體坐標系)方向上的速度、角速度，通過3個坐標軸角速度計算達到目標位置的四個電機的目標油門量。
(3)將四個電機的目標油門量分別發送到對應的4個電子調速器，驅動電機。
結合圖4，擴展單元控制模塊控制流程如下：
(1)進行接口usart，i2c初始化；
(2)判斷初始化是否成功，如果初始化成功則進入步驟(3)，否則返回步驟(1)；
(3)等待100ms後，判斷所接收到的gps和磁羅盤信息是否進行了數據更新，並根據更新情況，選擇性地將gps或磁羅盤信息，或二者發送給飛控模塊。
是否更新的判斷方法為，比較當前gps信息與上一周期中接收的gps信息，如果不一致表明gps數據已更新；比較當前磁羅盤信息與上一周期中接收的磁羅盤信息，如果不一致表明磁羅盤數據已更新。
如果gps和磁羅盤均沒有更新，則向飛控模塊發送磁羅盤的數據；如果磁羅盤更新則gps沒有更新，則向飛控模塊發送磁羅盤的數據；如果gps更新而磁羅盤沒有更新，則向飛控模塊發送gps信息；如果gps和磁羅盤均更新，則向飛控模塊發送gps和磁羅盤信息。
(4)如果發送成功，則返回步驟(3)，如果發送失敗，則重新發送，如果連續發送5次均失敗則進入故障狀態。
本發明未詳細說明部分屬本領域技術人員公知常識。