CN106227226A - 一种一体化无人机飞行的控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化无人机飞行的控制装置和方法，所述控制装置包括：数据链通信单元：用于与地面站交互，获取无人机的飞行任务和监控无人机的飞行状态；获取单元：用于获取无人机当前飞行的加速度、角速度、无人机上的静态气压、无人机相对周围空气的运动速度、无人机上地磁场的磁场强度和无人机的定位信息；处理单元：用于将获取单元获取的数据进行处理从而获取飞机的飞行姿态，并与数据链通信单元收到的飞行任务进行比较，从而给出飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向；控制单元：根据处理单元给出的飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向，通过控制无人机的舵机控制器进行调整，使其达到飞行任务要求。本发明可有效、快速地控制无人机的飞行。

Description

一种一体化无人机飞行的控制装置和方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，更进一步涉及一种高集成度的一种一体化无人机飞行的控制装置和方法。

背景技术

无人机是一种低成本，高效率，任务可定制的飞行器，通过搭载不同的载荷，可以实现各种指定的任务。克服了以前有人机，使用条件苛刻，生命保障系统复杂等缺点。由于无人机飞行控制是一项新近发展起来的技术，以往的飞行控制器，设备种类繁多，系统复杂。针对这一市场空白，开发设计了一体化无人机飞行控制器，用于对多种无人飞行器的飞行控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种对无人机飞行的控制装置和方法，填补市场上小型一体化无人机飞行控制的空白，其结构简单，可普遍用于无人机飞行的控制。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一种一体化无人机飞行的控制装置，所述控制装置包括数据链通信单元、获取单元、处理单元和控制单元，所述数据链通信单元和获取单元分别与所述处理单元的输入端连接，所述控制单元与所述处理单元的输入端连接；具体地：

所述数据链通信单元：用于获取无人机的飞行任务，并监控无人机当前的飞行状态；

所述获取单元：用于获取无人机当前飞行的加速度、角速度、无人机上的静态气压、无人机相对周围空气的运动速度、无人机上地磁场的磁场强度和无人机的定位信息；

所述处理单元：用于将获取单元获取的数据进行处理从而获取飞机的飞行姿态，并与数据链通信单元收到的飞行任务进行比较，从而给出飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向；

所述控制单元：根据处理单元给出的飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向，通过控制无人机的舵机控制器进行调整，使其达到飞行任务要求的飞行高度、飞行速度和飞行方向。

进一步地，所述数据链通信单元为数据链天线。

进一步地，所述获取单元包括加速度传感器、角速度传感器、气压传感器、空速传感器、地磁传感器和GPS接收机。

进一步地，所述处理单元包括处理器和PID控制器；所述数据链通信单元、加速度传感器、角速度传感器和地磁传感器分别与所述PID控制器的输入端连接，所述气压传感器和空速传感器分别与所述处理器的输入端连接；所述GPS接收机分别与所述处理器和PID控制器连接；所述控制单元与所述PID控制器的输出端连接；所述处理器与所述PID控制器的输入输出端连接。

本发明所述的一种一体化无人机飞行的控制方法，包括以下步骤：

通过数据链接收单元获取无人机的飞行任务，并监控无人机当前的飞行状态；

通过获取单元获取无人机当前飞行的加速度、角速度、无人机上的静态气压、无人机相对周围空气的运动速度、无人机上地磁场的磁场强度和无人机的定位信息；

通过处理单元计算出飞机当前的飞行速度、飞行高度、飞行方向及飞行姿态，从而与无人机获得的飞行任务进行对比，通过飞行姿态计算出飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向；

通过控制无人机的舵机控制器进行调整，使其达到飞行任务的飞行高度、飞行速度和飞行方向。

进一步地，所述通过处理单元计算出飞机当前的飞行速度、飞行高度、飞行方向及飞行姿态，从而与无人机获得的飞行任务进行对比，通过飞行姿态计算出飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向；具体为：

通过处理器，根据获得的定位信息和无人机相对周围空气的运动速度计算出飞机当前的飞行速度，根据定位信息和无人机上的静态气压计算出飞机当前的飞行高度，根据定位信息得知飞机当前的飞行方向；

通过PID控制器，根据加速度、角速度和无人机上地磁场的磁场强度计算出飞机的飞行姿态；

根据得到的飞行姿态，通过处理器计算出飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向。

进一步地，所述通过PID控制器，根据加速度、角速度和无人机上地磁场的磁场强度，采用PID算法计算出飞机的飞行姿态；

根据得到的飞行姿态，通过处理器采用总能量控制策略控制调整无人机飞行的速度和高度；所述处理器通过采用L1算法控制无人机飞行的飞行方向进行。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的一种一体化无人机飞行的控制装置和控制方法，适用于多种类型的飞行器，包括固定翼、多旋翼和直升机。使用时，通过连接简单的外部设备后，飞行器即可自动执行已装订任务。

本发明结构简单，控制方法操作简单，实用性强。

本发明适用于多种类型的飞行器，用户可以根据应用场景，连接简单的外部设备后，即可实现飞行器自动起飞，执行任务且自主返回。该飞行控制装置是一套完整的高性能、低成本和微型化的通用无人机飞行控制平台。本发明的装置和方法具有很强的灵活性和可重用性，降低了系统的复杂性，具有良好的应用价值和使用前景。

附图说明

图1是本发明提供的一种一体化无人机飞行的控制装置的电路原理图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明提供的一种一体化无人机飞行的控制装置，所述控制装置包括数据链通信单元、获取单元、处理单元和控制单元，所述数据链通信单元和获取单元分别与所述处理单元的输入端连接，所述控制单元与所述处理单元的输入端连接；具体地：

所述数据链通信单元：用于获取无人机的飞行任务，并监控无人机当前的飞行状态；

具体地，所述数据链通信单元为数据链天线，其结构简单，获取信息多，广泛应用于无人机领域。

所述获取单元：用于获取无人机当前飞行的加速度、角速度、无人机上的静态气压、无人机相对周围空气的运动速度、无人机上地磁场的磁场强度和无人机的定位信息；

具体地，所述获取单元包括加速度传感器、角速度传感器、气压传感器、空速传感器、地磁传感器和GPS接收机。同时，传感器及GPS接收机通过无线或其它通讯方式，能实时与无人机的控制系统连接，并将测得的数据及时发送给无人机控制系统。

所述处理单元：用于将获取单元获取的数据进行处理从而获取飞机的飞行姿态，并与数据链通信单元收到的飞行任务进行比较，从而给出飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向；

具体地，包括处理器和PID控制器，用于处理传感器获取的数据；所述数据链通信单元、加速度传感器、角速度传感器和地磁传感器分别与所述PID控制器的输入端连接，所述气压传感器和空速传感器分别与所述处理器的输入端连接；所述GPS接收机分别与所述处理器和PID控制器连接；所述控制单元与所述PID控制器的输出端连接；所述处理器与所述PID控制器的输入输出端连接。

具体地，处理器用于处理传感器获得的数据，并获得飞机当前的飞行速度、飞行高度和飞行方向；PID控制器根据加速度、角速度和无人机上地磁场的磁场强度计算出飞机的飞行姿态，并将计算出的飞行姿态发送给处理器，所述处理器与数据链单元获取的飞行任务进行比较，进而计算出飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向。

所述控制单元：根据处理单元给出的飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向，通过控制无人机的舵机控制器进行调整，使其达到飞行任务要求的飞行高度、飞行速度和飞行方向。

具体地，控制单元即舵机控制器，其接受处理单元的发送的需要调整的任务，并通过舵机控制器进行飞行调整。

本发明所述的一种一体化无人机飞行的控制方法，包括以下步骤：

通过数据链通信单元获取无人机的飞行任务，并监控无人机当前的飞行状态；

具体地，通过地面站加载飞行任务，数据链通信单元进行获取。

通过获取单元获取无人机当前飞行的加速度、角速度、无人机上的静态气压、无人机相对周围空气的运动速度、无人机上地磁场的磁场强度和无人机的定位信息；

通过处理单元计算出飞机当前的飞行速度、飞行高度、飞行方向及飞行姿态，从而与无人机获得的飞行任务进行对比，通过飞行姿态计算出飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向；

具体地，根据加速度传感器、角速度传感器、气压传感器、空速传感器、地磁传感器和GPS接收机获取无人机当前飞行的加速度、角速度、无人机上的静态气压、无人机相对周围空气的运动速度、无人机上地磁场的磁场强度和无人机的定位信息；然后，通过处理器，根据获得的定位信息和无人机相对周围空气的运动速度计算出飞机当前的飞行速度，根据定位信息和无人机的静态气压计算出飞机当前的飞行高度，根据定位信息得知飞机当前的飞行方向；通过PID控制器，根据加速度、角速度和无人机上地磁场的磁场强度用来计算飞机的飞行姿态，同时将无人机的飞行姿态发送给处理器，处理器与之前的任务进行对比，计算出飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向。

更具体地，所述控制器通过采用PID算法计算出无人机的飞行姿态；所述处理器通过采用总能量控制策略控制调整无人机飞行的速度和高度控制进行解耦合控制；所述处理器通过采用L1算法控制无人机飞行的飞行方向进行。

其中，PID算法为按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行计算从而得出飞行姿态的算法；其主要是通过PID控制器进行计算。

总能量控制策略通过改变电机转速对飞机总能量进行控制，通过调节升降舵的偏转来协调动能和势能之间的比例分配，从而解除飞机纵向飞行轨迹速度之间的耦合，实现了对其纵向模态的非线性解耦控制；另外，处理器还确保了系统具有较强的鲁棒性能。

L1算法为L1自适应控制算法，其通过处理器进行计算。实际使用中，是通过L自适应控制系统进行计算的，所述L自适应控制系统由四部分组成：被控对象、状态估计器、自适应机制和处理器；其中处理器为本发明中的处理器，其还包括初步处理器和低通滤波器。状态估计器用于估计和监视模型状态及其变化;自适应机制根据自适应律调整参数估计,初步处理器根据调整后的参数和给定的跟踪信号,按照控制律及时调整控制量;最后低通滤波器将控制量中的高频成分滤掉,以实现既定性能。

进一步地，由于角速度传感器不可避免的会出现零偏，如果直接对传感器的数据进行积分，长时间后就会有很大的累积误差；同时地磁传感器和加速度传感器动态响应较差，纹波较大，但是却没有累积误差，控制器选用互补滤波对这这些传感器数据进行处理，短时间内选用角速度传感器解算的角度，同时定时采用地磁传感器和加速度传感器测得的数据对角速度传感器进行校准。校准过程采用PD控制器，这个控制器的输出即为飞行器的姿态。

由于角速度的短期测得的值比较准，但是由于存在温漂，经过积分，长期就不能用了。加速度的短期不行，噪声比较大，但是长期没有漂移，所以将角速度进行高通滤波，加速度低通滤波后进行一定比列的融合。这样能比较准确的计算出姿态。而为了实现高通和低通滤波，设有PID控制器，PID控制器的输入为角速度传感器的数据，PID控制器的反馈为加速度和地磁传感器数据，控制器的输出即为飞行器姿态。

通过控制无人机的舵机控制器进行调整，使其达到飞行任务的飞行高度、飞行速度和飞行方向。

本发明所述的一种一体化无人机飞行的控制装置和方法，其工作原理和过程为，通过外部SMA接口连接GPS天线和数据链天线，同时将飞控计算的舵机控制接口与机上舵机或者电机控制器连接。

连接完成后，通过地面站执行必要的校准程序，校准飞行控制器的惯性导航器件；选择飞行器的起飞和降落方式。然后通过地面站加载飞行任务。

地面站通过点击“飞行”后，飞行器即自主起飞、执行飞行任务，完成任务后，自主降落至指定着陆点。

使用本发明时，首先通过数据链通信单元加载飞行任务，所述无人机内部包含飞行导航、控制、引导及数据链通讯等。然后通过加速度传感器、角速度传感器、气压传感器、空速传感器、地磁传感器和GPS接收机获取无人机当前的飞行信息，进而通过处理单元对当前飞行信息进行处理，从而算出飞行姿态，然后与飞行任务进行对比，进而调整飞机飞行速度、高度和方向。这样的过程在飞行中时刻都在执行的，直到无人机降落。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种一体化无人机飞行的控制装置，其特征在于：所述控制装置包括数据链通信单元、获取单元、处理单元和控制单元，所述数据链通信单元和获取单元分别与所述处理单元的输入端连接，所述控制单元与所述处理单元的输入端连接；具体地：

所述数据链通信单元：用于与地面站交互，获取无人机的飞行任务，并监控无人机当前的飞行状态；

所述获取单元：用于获取无人机当前飞行的加速度、角速度、无人机上的静态气压、无人机相对周围空气的运动速度、无人机上地磁场的磁场强度和无人机的定位信息；

所述处理单元：用于将获取单元获取的数据进行处理从而获取飞机的飞行姿态，并与数据链通信单元收到的飞行任务进行比较，从而给出飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向；

所述控制单元：根据处理单元给出的飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向，通过控制无人机的舵机控制器进行调整，使其达到飞行任务要求的飞行高度、飞行速度和飞行方向。

2.根据权利要求1所述的一种一体化无人机飞行的控制装置，其特征在于：所述数据链通信单元为数据链天线。

3.根据权利要求1所述的一种一体化无人机飞行的控制装置，其特征在于：所述获取单元包括加速度传感器、角速度传感器、气压传感器、空速传感器、地磁传感器和GPS接收机。

4.根据权利要求3所述的一种一体化无人机飞行的控制装置，其特征在于：所述处理单元包括处理器和PID控制器；所述数据链通信单元、加速度传感器、角速度传感器和地磁传感器分别与所述PID控制器的输入端连接，所述气压传感器和空速传感器分别与所述处理器的输入端连接；所述GPS接收机分别与所述处理器和PID控制器连接；所述控制单元与所述PID控制器的输出端连接；

所述处理器与所述PID控制器的输入输出端连接。

5.一种一体化无人机飞行的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

通过数据链接收单元获取无人机的飞行任务，并监控无人机当前的飞行状态；

通过获取单元获取无人机当前飞行的加速度、角速度、无人机上的静态气压、无人机相对周围空气的运动速度、无人机上地磁场的磁场强度和无人机的定位信息；

通过处理单元计算出飞机当前的飞行速度、飞行高度、飞行方向及飞行姿态，从而与无人机获得的飞行任务进行对比，通过飞行姿态计算出飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向；

通过控制无人机的舵机控制器进行调整，使其达到飞行任务的飞行高度、飞行速度和飞行方向。

6.根据权利要求5所述的一种一体化无人机飞行的控制方法，其特征在于：所述通过处理单元计算出飞机当前的飞行速度、飞行高度、飞行方向及飞行姿态，从而与无人机获得的飞行任务进行对比，通过飞行姿态计算出飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向；具体为：

通过处理器，根据获得的定位信息和无人机相对周围空气的运动速度计算出飞机当前的飞行速度，根据定位信息和无人机上的静态气压计算出飞机当前的飞行高度，根据定位信息得知飞机当前的飞行方向；

通过PID控制器，根据加速度、角速度和无人机上地磁场的磁场强度计算出飞机的飞行姿态；

根据得到的飞行姿态，通过处理器计算出飞机需要调整的飞行高度、飞行速度和飞行方向。

7.根据权利要求6所述的一种一体化无人机飞行的控制方法，其特征在于：所述通过PID控制器，根据加速度、角速度和无人机上地磁场的磁场强度，采用PID算法计算出飞机的飞行姿态；

根据得到的飞行姿态，通过处理器采用总能量控制策略控制调整无人机飞行的速度和高度；所述处理器通过采用L1算法控制无人机飞行的飞行方向进行。