专利名称：用于室内飞艇的自主起降控制方法
技术领域：
本发明涉及一种飞艇的自主起降控制方法，尤其涉及一种运用于室内飞艇的自主起降控制方法。属于自动控制领域。
背景技术：
室内飞艇作为一种被广泛使用的悬浮式航空器，具有在空中悬浮的能力，而且操作驾驶简单方便，它能够在低空低速飞行，安全性能比较好，对起落的场地要求不高，运营成本也比较低，且易于维护保养。室内飞艇的优势在于其商业价值，它可以提供良好的周边视界，可以进行广告展示、航拍、电视转播和安全监控等活动。现在很多的大型科学技术馆和展览馆都会采用多样的形势进行展出和表演，室内飞艇作为室内小型机动性飞行器可以填补大型室内上空的空间，对于一些大型展览馆和博览会也是一种极好的宣传和表演手段。室内飞艇由巨大的流线型艇身、位于艇身下面的吊舱、起稳定控制作用的尾舵和推进装置组成。室内飞艇的自主起降控制系统主要是由传感器(超声波传感器、UWB传感器)飞艇地面站控制系统和艇载系统三大部分组成。当要求室内飞艇起降时，超声波传感器先测量无人飞艇距离地面的当前距离，UWB传感器接收室内飞艇的当前坐标信息，这两个传感器为地面站提供飞艇的位置信息，再考虑当前螺旋桨的转速和对飞艇的期望高度。在地面控制站将传感器测量的相关飞行数据和输入的信息进行解析，结合自主起降控制算法转变成能被飞行控制计算机使用的飞艇升降的相关信息，同时根据设定的自主升降路线、速度、方向等状态信息计算出对执行机构的控制输出量。由于室内飞艇有别于室外飞艇的特殊性，外界干扰较小并且自身的螺旋桨产生的动能较小，与户外相比在空旷的室内大厅无严重的空气流动扰动，但是由于飞艇相对于房间的体积过于庞大，所以在不碰壁的情况下实现自主升降控制对控制的精度要求较高，对算法的要求也很高。早期飞艇的自主起降控制都是采用室内GPS获取高度与坐标信息，通过GPS的信息可以显示出飞艇的当前的位置，可以记录和跟踪飞艇的航迹，此外还安装了高度气压计， 飞控系统需要获知当前的大气压力，以换算成飞艇的空速和气压高度数据。但是因为室内无人飞艇在室内的环境下无法接受GPS数据，并且在屋内受飞行高度的限制所以也无法使用高度气压计。而如果单独使用UWB超宽带技术确定室内飞艇的当前位置，则当室内飞艇离地面过近时由于阻挡和反射等的原因对UWB传感器的测试数据将造成较大的误差。由于室内噪声控制等目的的需要，室内飞艇所装配的动力电机功率及转速均较小，并且要尽量减少转速突然大范围改变情况的发生，导致室内飞艇的灵活性大打折扣，飞艇移动速度缓慢，控制超调量大。室内飞艇相对于所在空间的体积庞大，加之室内空间存在大量设备、展品等障碍物，导致飞艇飞行空间狭小，增加了飞行控制的难度。而目前的飞艇控制设备均是室内室外通用的，没有考虑室内飞艇的这些特殊情况，导致室内飞艇的自动驾驶效果非常差，频繁的撞击、刮蹭墙体、展品甚至场内人员。
发明内容
本发明为了解决针对室内飞艇动力弱、飞行空间小、障碍物多以及安全性要求高等特点，对室内飞行器控制不灵活、经常出现偏离航线而发生频繁撞击、刮蹭墙体、展品，甚至场内人员等技术问题，提供了一种用于室内飞艇的自主起降控制方法，该方法是通过下述步骤实现的在自主起降模式下，首先设定起降高度和起降速度，从飞艇载有的超声传感器、 UWB传感器获得当前室内飞艇的飞行数据，并通过无线数传模块将这些获取的飞艇坐标数据，按预定协议格式传输到地面站；由地面站进行解析，根据选定的起降方式，通过自主起降控制算法的计算后，形成控制指令与控制参数；再通过无线数传模块将这些控制指令和控制参数传输到室内无人飞艇上的艇载计算机上；数据经检验正确无误后生成PWM信号控制飞艇油门、方向和升降所对应的电机或舵机，控制室内飞艇到达指定高度；起飞降落均采用分段控制方法，定义控制高度为Height_Control，目标高度为Height_target则，当前飞艇高度为 Height_current，当 | Height_current_Height_targ et > 2m 时，分段调整控制高度Height_control，每次调整幅度为飞艇的高度，直至目标高度Height_targ et。本发明的特点及有益效果此控制方法保证了室内飞艇自主起降过程中的安全性、可靠性和平稳性，可以自由调节升降的高度和速度且更改过程方便、快捷。可以根据起降控制算法的要求不同，实现勻速起降、变速起降以及按照预定轨迹起降等。根据精确测量出的室内飞艇的高度、横坐标、纵坐标以及螺旋桨的转速，在不同的场馆中根据不同的情况设置安全降落点，有利于室内无人飞艇与场馆内其它设备的安全。 实现室内飞艇自主、快速、平稳及精确的自主起降。在自主升降控制算法的控制下，UWB超宽带技术和超声波传感器相结合的方式定位室内无人飞艇的当前高度位置，超声波传感器起到补偿UWB定位中高度的误差的作用， 能够更好的为控制算法提供准备有保障的数据，使室内飞艇的自主起降控制平稳、迅速，起降方式多样化。
图1是室内飞艇系统的物理构成图；图2是室内飞艇系统的机载系统结构示意图；图4是本发明所用的I2C总线通讯原理图。图4是本发明的平横转速调节原理图。图5是本发明自主起降控制方法积分示意图
具体实施例方式下面参考附图1-5，对本发明做进一步描述。用于室内飞艇的自主起降控制方法能够更好地实现室内飞艇的自主起降，保证起降过程的平稳、精确和迅速，起降方式的多样化。为实现上述目的，本发明包括以下内容
室内飞艇系统(参看图1)以STC12C5A60S2单片机为核心与外围的电子数字罗盘、无线通讯模块、舵机或带电子调速器的电机、超声波测距模块形成链路；通过无线通讯模块与地面站和手动遥控进行无线通信，根据制定的通信协议解析接收指令并生成PWM信号来控制飞艇油门、方向和升降螺旋桨所对应的电机或舵机；与电子数字罗盘和超声波传感器进行通信，获取飞艇姿态及附近障碍物的相关信息，并发回给地面站。室内飞艇要实现自主升降控制，首先，地面站先切换到自主起降模式，输入期望的起降高度和起降速度，从传感器处获得当前室内飞艇的飞行数据，这些数据由飞艇载有的超声传感器、UffB传感器获得并通过无线数传模块将这些获取的飞艇坐标数据以事先预定的规定格式传输到地面站。在地面站对这些数据进行解析，根据选定的起降方式通过控制算法形成控制指令与控制参数，再通过无线数传模块将这些控制指令和控制参数传输到室内无人飞艇上的艇载计算机，艇载计算机通过控制飞艇的动力系统最终实现对室内无人飞艇的自主升降控制。机载模块利用I2C总线和超声波模块通信。如图3所示，I2C总线只由两根信号线组成，一根是串行数据线SDA，另一根是串行时钟线SCL。它们都是双向线路，连接到总线的器件输出需为漏极开路或集电极开路，当总线空闲时，这两条信号线均为高电平。因此， SDA和SCL信号线都必须接上拉电阻至高电平为VCC。SCL为高电平期间，SDA线上的数据需保持不变，器件之间传递数据，数据线上的数据只能在SCL为低电平时发生跳变，改变为下一位数据的状态。I2C总线上数据的传输起始状态和终止状态由主控器产生。开始信号当时钟线 SCL保持高电平期间，SDA由高电平跳变为低电平，表示开始传送数据；终止信号当时钟线 SCL保持高电平期间，SDA由低电平跳变为高电平，表示终止数据传送。起飞降落均采用分段控制方法，使飞艇缓缓降落，一方面保证了飞艇的起降过程平稳，另一方面便于在出现妨碍起降等突发事件时随时终止起飞降落过程，更加安全可靠。 如图4所示，采用增量式PID控制器作为室内飞艇的高度控制器，定义控制高度为Height_ control,目标高度为 Height_targ et 则，当前飞艇高度为 Height_current，当 |Height_ current-Height_targ et | > 2m时，分段调整控制高度Height_control，每次调整幅度为飞艇的高度，直至目标高度Height_targ et。起飞时，当飞艇进入指定高度之后，自动保持飞艇处于设定高度，直至设定高度被改变或启动降落程序。控制方法如图5所示，定义能够保持飞艇处于某一高度不变即升力等于重力时的升降螺旋桨电机转速为平衡转速SpeecLbalance。每次当Height_Current 上穿Height_control时，开始对两者之差进行积分，当Height_current下穿Height_ control时，积分结果记为S1,积分结果清零并开始另一次积分，当Height_CUrrent再次上穿Heightcontrol时，积分结果记为&，积分清零并开始下一次积分，以此类推。每次积分结束时对平衡转速SpeecLbalance进行更新，更新方法按下式进行
权利要求
1.用于室内飞艇的自主起降控制方法，是通过下述步骤实现的在自主起降模式下， 首先设定起降高度和起降速度，从飞艇载有的超声传感器、UWB传感器获得当前室内飞艇的飞行数据，并通过无线数传模块将这些获取的飞艇坐标数据，按预定协议格式传输到地面站；由地面站进行解析，根据选定的起降方式，通过自主起降控制算法的计算后，形成控制指令与控制参数；再通过无线数传模块将这些控制指令和控制参数传输到室内无人飞艇的艇载计算机上；数据经检验正确无误后生成PWM信号控制飞艇油门、方向和升降所对应的电机或舵机，控制室内飞艇到达指定高度；起飞降落均采用分段控制方法，定义控制高度为Height_control，目标高度为Height_targ et,当前飞艇高度为Height_current，当Height_current-Height_targ et | > 2m 时，分段调整控制高度 Height_control，每次调整幅度为飞艇的高度，直至目标高度Height_targ et。
2.根据权利要求1所述的用于室内飞艇的自主起降控制方法，其特征在于所述自主起降控制算法，当飞艇进入指定高度之后，自动保持飞艇处于设定高度，直至设定高度被改变或启动降落程序；定义能够保持飞艇处于某一高度不变即升力等于重力时的升降螺旋桨电机转速为平衡转速Speed_balance ；每次当Height_current上穿Height_control时， 开始对两者之差进行积分，当Height_Current下穿Height_Control时，积分结果记为S1, 积分结果清零并开始另一次积分，当Heightcurrent再次上穿Heightcontrol时，积分结果记为&，积分清零并开始下一次积分，以此类推；每次积分结束时对平衡转速SpeecL balance进行更新，更新方法按下式进行
3.根据权利要求1所述的用于室内飞艇的自主起降控制方法，其特征在于所述平衡转速的调节步长Xsp-取值范围为最大转速的；限定起降过程中螺旋桨转速与平衡转速之间的偏差在60转/分钟或最大转速的5%以下。
全文摘要
用于室内飞艇的自主起降控制方法，是为解决对室内飞行器控制不灵活、经常出现偏离航线而发生频繁撞击、刮蹭等技术问题而设计的。该方法在自主起降模式下，首先设定起降高度和起降速度，从飞艇载有的超声传感器、UWB传感器获得当前室内飞艇的飞行数据，并通过无线数传模块将获取飞艇坐标数据，按预定协议格式传输到地面站进行解析后，根据选定起降方式和自主起降控制算法的计算后，形成控制指令与参数；再通过无线数传模块将这些控制指令和参数传输到室内无人飞艇上的艇载计算机上；生成PWM信号控制飞艇油门、方向和升降，控制室内飞艇到达指定高度；起飞降落均采用分段控制方法。有益效果此控制方法保证了室内飞艇自主起降过程中的安全性、可靠性和平稳性，可以自由调节升降的高度和速度且更改过程方便、快捷。
文档编号G05D1/04GK102339063SQ20111019746
公开日2012年2月1日 申请日期2011年7月14日 优先权日2011年7月14日
发明者吴星刚, 张晓东, 张森悦, 李一波, 胡为 申请人:沈阳航空航天大学