一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法和系统，利用三轴磁传感器分别对地磁场在无人飞行器的机体坐标系的X、Y和Z轴的地磁分量进行测量，并根据测量的地磁分量的变化确定所需控制的舵机和控制量，该方法简单易行，解决了无人飞行器俯冲拉起后全球定位系统和陀螺仪无法正常工作时无法获得实时姿态信息的问题，能够自主完成无人飞行器的稳定控制。
【专利说明】一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及飞行器控制【技术领域】，具体涉及一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法和系统。
【背景技术】
[0002]飞行器稳定控制是小型无人飞行器导航控制中的关键技术，在伞降式小型无人飞行器发射后包含两个阶段，垂直向下的伞降阶段和俯冲拉起后的平飞阶段，伞降式小型无人飞行器的稳定控制的主要目的是在无人飞行器经过伞降、完成俯冲拉起后的平飞过程中，维持无人飞行器的稳定飞行。现有的无人飞行器的稳定控制方法依赖于外部全球定位系统值、高精度辅助对准值以及陀螺输出，通过测量无人飞行器姿态作为反馈来实现无人飞行器的飞行控制。
[0003]但是，全球定位系统获得信息需要一定的时间，伞降式小型飞行器发射后上电的工作时序导致在伞降完成、无人飞行器俯冲拉起后全球定位系统无法获得稳定的信息，而陀螺仪需要有相对平稳的测量环境，伞降式小型无人飞行器，发射过程中的过载，导致姿态测量装置中的陀螺仪不能正常工作，因而在伞降式小型无人飞行器的控制中不能获得飞行器的实时姿态作为控制反馈。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明提供了一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法和系统，解决了伞降式小型无人飞行器俯冲拉起后全球定位系统和陀螺仪无法正常工作从而无法获得实时姿态信息的问题，能够自主完成无人飞行器的稳定控制。
[0005]有益效果:
[0006]1、本发明将地磁场在无人飞行器的机体坐标系的X、Y和Z轴的地磁分量的变化作为无人飞行器实时姿态的反馈，解决了无人飞行器俯冲拉起后全球定位系统和陀螺仪无法正常工作时的无人飞行器的稳定控制问题，方法简单易行，能够有效的实现飞行器俯冲拉起后的稳定控制。
[0007]2、本发明将伞降过程无人飞行器处于垂直向下阶段的姿态作为无人飞行器平飞后的稳定控制的参考，将处于垂直向下阶段获得的前N次的地磁分量的平均值作为初始电磁分量，保证了获得的控制信息的准确性，从而更好的实现无人飞行器的稳定控制。
[0008]3、本发明中将三轴磁传感器获得的地磁分量经过低通滤波、差分放大、模数转换、温度补偿和硬磁干扰处理后再用于控制舵和控制量的解算，能够去除外界条件的干扰，保证了获得的控制信息的可靠性，进一步保证了无人飞行器稳定控制的实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本发明三轴磁传感器的摆放方式示意图；
[0010]其中，8-三轴磁传感器，9-无人飞行器机体；[0011]图2为无人飞行器姿态变化方式判断试验结果图；
[0012]图3为本发明硬件组成示意图；
[0013]图4为本发明处理单元的工作流程图:
[0014]其中，1-三轴磁传感器，2-采集处理芯片，3-运动模式及控制量计算芯片，4-数据存储器，5-信号发送芯片,6-处理单兀,7-舵机。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图，对本发明进行详细描述。
[0016]本发明提供了一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法，用于无人飞行器俯冲拉起后的平飞过程的稳定控制，利用三轴磁传感器分别对地磁场在无人飞行器的机体坐标系的X、Y和Z轴的地磁分量进行测量，并根据测量的地磁分量的变化确定所需控制的舵机和控制量。
[0017]该方法解算简单，将地磁场在无人飞行器的机体坐标系的X、Y和Z轴的地磁分量作为无人飞行器实时姿态的反馈，解决了伞降式小型无人飞行器俯冲拉起后全球定位系统和陀螺仪无法正常工作从而无法获得实时姿态信息的问题，能够自主完成无人飞行器的稳定控制。
[0018]本实施例中的三轴磁传感器的精度不低于lOmgauss，具体可以根据无人飞行器的控制精度进行选取。无人飞行器的机体坐标系采用北-东-地标准，X、Y和Z轴的正方向分别对应无人飞行器机体坐标系的前、右和下方向。
[0019]无人飞行器的主要姿态变换分为俯仰、滚转和偏航，通过比较无人飞行器俯冲拉起后X、Y和Z轴的当前地磁分量与初始地磁分量之间的关系，获得飞行器当前的主要姿态变换，从而确定所需控制的舵机 和控制量具体为:
[0020]当满足式(I)时，无人飞行器当前姿态包含俯仰运动，控制俯仰舵机:
[0021]
【权利要求】
1.一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法，用于无人飞行器俯冲拉起后的平飞过程的稳定控制，其特征在于，利用三轴磁传感器分别对地磁场在无人飞行器的机体坐标系的X、Y和Z轴的地磁分量进行测量，并根据测量的地磁分量的变化确定所需控制的舵机和控制量。
2.如权利要求1所述的一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法，其特征在于，所述确定所需控制的舵机和控制量具体为: 当满足式(1)时，控制俯仰舵机:
3.如权利要求1所述的一种伞降式小型无人飞行器稳定控制方法，其特征在于，所述的地磁分量为经过低通滤波、差分放大、模数转换、温度补偿和硬磁干扰处理后的地磁分量。
4.一种伞降式小型无人飞行器稳定控制系统，用于无人飞行器俯冲拉起后的平飞过程的稳定控制，其特征在于，包括一个三轴磁传感器和一个处理单元； 所述三轴磁传感器按照特定方向安装在无人飞行器的质心上，所述特定方向为三轴磁传感器的磁轴方向分别与无人飞行器机体的机体坐标系的X、Y和Z轴的方向重合； 所述处理单元根据测量地磁分量的变化确定所需控制的舵机和控制量。
5.如权利要求4所述的一种伞降式小型无人飞行器稳定控制系统，其特征在于，所述处理单元包括姿态判定模块和控制量解算模块； 所述姿态判定模块，根据Χ、Y和Z轴的地磁分量和(1)~(3)式的判定条件，确定控制哪个舵机，并将确定结果发送给控制量解算模块: 当满足式(1)时，控制俯仰舵机:
6.如权利要求4所述的一种伞降式小型无人飞行器稳定控制系统，其特征在于，所述的处理单元的硬件组成包括采集处理芯片(2)、运动模式及控制量计算芯片(3)、数据存储器(4)和信号发送芯片(5)，采集处理芯片(2)通过RS-232接口与运动模式及控制量计算芯片(3)连接，运动模式及控制量计算芯片(3)与数据存储器(4)通过三线SPI连接，信号发送芯片(5)与舵机(7)通过PWM接口连接； 所述采集处理芯片(2)对三轴磁传感器的输出测量值进行采集和处理，获得X、Y和Z轴的地磁分量，并传输给运动模式及控制量计算芯片(3)； 所述运动模式及控制量计算芯片(3)将接收到的地磁分量存储在数据存储器(4)上；同时，运动模式及控制量计算芯片(3 )在需要地磁分量时，读取数据存储器(4 )中的地磁分量，并将当前地磁分量与初始地磁分量进行比较，采用式(I) (2) (3) (4)确定所需控制的舵机和控制量并传输给发送芯片(5)； 所述发送芯片(5)将需控制的舵机和控制量转换成PWM信号，发送给需控制的舵机按照控制量进行姿态调整。`
7.如权利要求6所述的一种伞降式小型无人飞行器稳定控制系统，其特征在于，所述采集处理芯片(2)具体包括采集模块、低通滤波模块、差分放大模块、模数转换模块、温度补偿模块和硬磁干扰去除模块； 所述采集模块以固定频率对三轴磁传感器输出的电压进行采集； 所述低通滤波模块对采集模块采集到的电压进行低通滤波； 所述差分放大模块对所述低通滤波后的电压进行差分放大； 所述模数转换模块对所述差分放大后的电压进行模数转换分别获得Χ、Υ和Z轴的地磁分量; 所述温度补偿模块对获得的地磁分量进行温度补偿； 所述硬磁干扰去除模块对温度补偿后的地磁分量进行硬磁干扰去除。
【文档编号】G05B13/04GK103728880SQ201310751910
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】彭广平, 黄科伟, 吴政隆, 孟丽娟, 马宝华, 张志栋, 赵骥, 刘菲, 孙煜杰, 都业宏, 郭志伟, 李 杰 申请人:北京中宇新泰科技发展有限公司