专利名称：一种固定翼无人机的定高飞行控制系统与方法
技术领域：
本发明涉及无人机控制领域，具体应用在无人机定高飞行技术上。
背景技术：
无人机技术已进入全面发展时期，在导航方面已日趋成熟，但是在飞行高度方面， 都只是测量高度，并无成本低且技术成熟的固定翼无人机定高飞行方法，而定高飞行对于飞行新手来说十分重要，可以有效避免炸机等事故的发生，在摄像头航拍过程中也能够大大增强图像拍摄的稳定性。目前的定高方法，有GPS测量高度，无线电高度表测量，还有使用压力传感器测量高度。由于GPS接收数据的不稳定性，受外界干扰较大，例如周围建筑高度，地形因素等，接收到的卫星数经常变化，将会导致高度测量跳变剧烈，需要经过大量的数据处理才能尽量减小误差，并且稳定性仍不尽人意，且其成本较高，体积较大，并不适合应用于小型无人机定高飞行。专利申请号为200810102821. 0名称为《一种无人机无线电高度表高度及升降速度自动修正方法》的专利申请中公开了一种使用无线电高度表测量高度并进行控制的方法，无线电高度表精度可满足飞行需求，但使用相对复杂，需要在无人机及地面站上均添加天线，并且其成本相对过高，不适于小型无人机。压力传感器克服了 GPS的很多缺点，精度、 成本和体积等方面都有所优化，同时还有易于使用的优点，但易受天气变化影响。
发明内容
为了使无人机能够得到更精确的高度信息，提升定高的精度，本发明提供了一种成本低、误差小、结构稳定、受外界环境干扰小的无人机定高飞行系统与方法。本发明采用如下技术方案固定翼无人机的定高飞行控制系统如图3所示包含固定翼无人机、传感器模块、 控制电路。固定翼无人机作为整套系统的物理载体，传感器模块实时测量无人机当前位姿、 高度信息，并发送给控制电路，再经由控制电路中的单片机进行数据计算，把计算出的结果发送给电机、舵机进行控制。固定翼无人机如图1所示，包括电源1、电子调速器2、电机3、升降舵5、接收机6、 遥控器7。电源1与电子调速器2相接，电子调速器2引出的电源线、信号线、地线与电机 3相连，为电机3供电和提供控制信号。电子调速器2引出的电源线、地线与单片机4对应相连，向单片机4供电。单片机4的脉冲位置调制输出口 PPMout与升降舵5连接，单片机 4的脉冲位置调制输入口 PPMin与接收机6相连，接收机6接收遥控器7的控制信号，与遥控器7进行远程通信。传感器模块以气压高度传感器8作为测量元件，焊接在单片机控制板4上。控制电路其采用单片机4。所述的控制电路分为高度计算模块，舵机计算模块， 限定模块三部分；高度计算模块通过测出的标准温度和压力参数计算出相应高度数据，舵机计算模块通过高度数据计算出当前舵机控制量并带入限定模块，限定模块对计算出的舵机控制量进行角度限制并对应计算出油门量后将控制信号发送给升降舵5、电机3。所述的电源1为锂电池。气压高度传感器8采用压阻式硅微传感器，其外部包裹有一层高密度防风塑料， 并在传感器8周边挖空约直径为0. 5cm的孔，使传感器8与周围空气流通。所述的高密度防风塑料厚度为2cm，经试验此防风方式可有效减少高空强风对传感器元件的影响。单片机4中采用Stm32fl03型号单片机。本发明的定高飞行控制工作时，控制方法如下a)开机自检及气压高度传感器、PPM端口初始化。b)通过遥控器7发送给接收机5的信号，检测当前控制模式，若为定高模式则进入步骤C。c)数据采集阶段气压高度传感器8标准温度和压力参数数据，再将传感器数据发送到单片机4，通过温度和压力数据，计算出当前压强大小，再经由压强一高度对应关系转换出当前无人机高度。在海拔2000米以内，可以近似地认为，无人机每升高12米，大气压强降低1毫米汞柱，即降低133Pa，海平面上标准大气压为101.3KPa，计算出当前大气压强，即可根据上述关系式比例得出当前高度。d)通过与锁定高度对比，计算出高度差，并进入PD(比例-微分控制)程序计算升降舵变化角度。e)判断升降角变化是否超出设定范围，如果超出，则进入步骤f，如果没有超出， 则进入步骤g。设定的升降角变化范围为-15°到+25°。f)将步骤5解算出的升降舵变化角度带入限制程序，加以-15°到+25°的限值。g)油门量与升降舵进行成比例联动控制，当上升时根据上升角度正比增大油门， 当下降时根据下降角度正比降低油门。h)单片机4计算出的PPM值(脉冲位置调制)经由串口发送给升降舵5及油门， 控制无人机的升降及油门大小。升降舵5的PPM值(脉冲位置调制)设定为-100到+100范围内变化，成正比例对应升降舵机所转角度，升降舵机角度范围为-30°到+30°，但由于对范围进行了限定， 定高飞行时实际升降角度范围为-15°到+25°。油门PPM值(脉冲位置调制)设定为0 到+100范围内变化，PPM值为0时电机停转，升降舵角度为0°时对应电机PPM值为55，升降舵角度为+25°时PPM值为+100。当需要进行升舵控制时，电机PPM值计算公式为电机PPM = 55+(100-55) ^ (上升角度Λ5。)，当需要进行降舵控制时，电机PPM值计算公式为电机PPM = 55-(55-5)女下降角度/15°，由上述公式可知，电机转速范围在5-100之间，根据升降角大小，呈正比例线性变化。本无人机定高飞行系统的整体有益效果是一、为无人机的定高飞行提供一种完整的解决方案。二、定高飞行加入了升降舵一油门联动方式，去除了油门的手动控制，使无人机真正做到完全无人操控飞行。三、本装置使用的压力传感器测量精度理论值为20cm，加入升降舵及油门联动控制后，应用在本小型固定翼无人机系统，高度误差为2m，完全能够满足无人机低空定高飞行。四、定高模式只需遥控器7进行开关切换，方便操控。从上述定高飞行方法可以看出，通过此系统，即使是飞行新手进行操控，只要切换到定高模式就可大大减少摔机危险，并且在增强无人机飞行稳定性的同时，对于航拍等拓展功能也有较大的帮助，有助于记录更为稳定、清晰的影像资料，增强无人机的总体性能。
图1是本发明的系统结构示意图。图2是本发明的控制流程图。图3是本发明的控制电路结构示意图。图中1、电源，2、电子调速器，3、电机，5、升降舵，6、接收机，7、遥控器，8、气压高度传感器，
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对于本发明作进一步的说明飞行系统包含固定翼无人机、传感器模块、控制电路。固定翼无人机作为整套系统的物理载体，传感器模块实时测量无人机当前位姿、高度信息，并发送给控制电路，再经由控制电路中的单片机进行数据计算，把计算出的结果发送给电机、舵机进行控制。固定翼无人机如图1所示，包括电源1、电子调速器2、电机3、升降舵5、接收机6、 遥控器7。电源1与电子调速器2相接，电子调速器2引出的电源线、信号线、地线与电机 3相连，为电机3供电和提供控制信号。电子调速器2引出的电源线、地线与单片机4对应相连，向单片机4供电。单片机4的脉冲位置调制输出口 PPMout与升降舵5连接，单片机 4的脉冲位置调制输入口 PPMin与接收机6相连，接收机6接收遥控器7的控制信号，与遥控器7进行远程通信。传感器模块以气压高度传感器8作为测量元件，焊接在单片机控制板4上。控制电路其采用单片机4。所述的控制电路分为高度计算模块，舵机计算模块， 限定模块三部分；高度计算模块通过测出的标准温度和压力参数计算出相应高度数据，舵机计算模块通过高度数据计算出当前舵机控制量并带入限定模块，限定模块对计算出的舵机控制量进行角度限制并对应计算出油门量后将控制信号发送给升降舵5、电机3。所述的电源1为锂电池。气压高度传感器8采用压阻式硅微传感器，其外部包裹有一层高密度防风塑料， 并在传感器8周边挖空约直径为0. 5cm的孔，使传感器8与周围空气流通。所述的高密度防风塑料厚度为2cm，经试验此防风方式可有效减少高空强风对传感器元件的影响。单片机4中采用Stm32fl03型号单片机。其中，如图2所示，本发明的控制电路包括有高度计算模块、舵机计算模块、限定模块。(1)高度计算模块气压温度传感器8测出标准温度和压力参数，再由标准温度、压力转换为压强，压强最终与相应的压强一高度关系对应，转换为高度信息。数据经由1 总线传入单片机4后进行高度运算。其中标准温度和压力参数的采集过程运用到移动平滑滤波算法，气压高度传感器8内置采样频率可达20MHZ，采集数据时，由于传感器8为模拟量测量，数据是连续的，在选取数据时设定采样频率为50HZ，即每秒采集50次数据发送给单片机4，再采用五级参数进行加权平均计算，五级参数意为每个数据都是五个相邻采样点加权平均后的结果，相当于采样频率为10HZ，每秒采集10次数据，经过此方法处理，可使单片机4得到的高度数据变化更加稳定。(2)舵机计算模块求得当前高度后，与锁定高度进行对比，计算出当前高度与锁定高度差值，并将此差值作为输入量带入PD (比例-微分控制)程序，输出量为升降舵机角度数据。P、D参数设定是由当前无人机特性决定，P值(比例控制)大小决定无人机高度变化响应速度，D值(微分控制)大小决定无人机定高的收敛速度，经过实验测量，软件设定P值为0. 85，D值为1。同时油门与升降舵进行联动，当上升时根据上升角度正比增大油门量，当下降时根据下降角度正比降低油门量。其中设定的目标高度可通过飞行现场时，切换成定高模式瞬间无人机所在高度决定，若想现场设定目标高度，程序中注释掉高度变量 targetjttitude的赋值语句即可。又可经由程序预设参数高度决定，若想由预设参数高度决定目标高度，则将程序中设定的高度变量target^ttitude设为想要的值即可。(3)限定模块基于传感器数据激变情况和无人机飞行稳定性的考虑，我们通过一个限定模块来限制升降舵及油门的最大值，从而防止飞机过快升降导致的失速。设定的升降舵最大角度范围为-15°到+25°，上升时最大角度比下降时最大角度大10°，当升降舵超过范围上限时，以+25°代替，当升降舵超过范围下限时，以-15°代替，这样低空飞行情况将减少坠机风险。
权利要求
1.固定翼无人机的定高飞行控制系统，其特征在于其包括固定翼无人机、传感器模块、控制电路；固定翼无人机作为整套系统的物理载体，传感器模块实时测量无人机当前位姿、高度信息，并发送给控制电路，再经由控制电路中的单片机进行数据计算，把计算出的结果发送给电机、舵机进行控制；固定翼无人机包括电源⑴、电子调速器⑵、电机⑶、升降舵(5)、接收机(6)、遥控器(7)；电源⑴与电子调速器(2)相接，电子调速器⑵引出的电源线、信号线、地线与电机⑶相连，为电机⑶供电和提供控制信号；电子调速器⑵引出的电源线、地线与单片机(4)对应相连，向单片机(4)供电；单片机的脉冲位置调制输出口 PPMout与升降舵 (5)连接，单片机⑷的脉冲位置调制输入口 PPMin与接收机(6)相连，接收机(6)接收遥控器(7)的控制信号，与遥控器(7)进行远程通信；传感器模块以气压高度传感器(8)作为测量元件，焊接在单片机控制板(4)上；控制电路其采用单片机(4)；所述的控制电路分为高度计算模块，舵机计算模块，限定模块三部分；高度计算模块通过测出的标准温度和压力参数计算出相应高度数据，舵机计算模块通过高度数据计算出当前舵机控制量并带入限定模块，限定模块对计算出的舵机控制量进行角度限制并对应计算出油门量后将控制信号发送给升降舵(5)、电机(3)；
2.根据权利要求1所述的固定翼无人机的定高飞行控制系统，其特征在于升降舵和油门进行联动PD控制。
3.根据权利要求1所述的固定翼无人机的定高飞行控制系统，其特征在于气压高度传感器(8)采用压阻式硅微传感器，其外部包裹有一层高密度防风塑料，并在传感器(8)周边挖空约直径为0. 5cm的孔，使传感器(8)与周围空气流通。
4.根据权利要求3所述的固定翼无人机的定高飞行控制系统，其特征在于所述的高密度防风塑料厚度为2cm。
5.根据权利要求1所述的固定翼无人机的定高飞行控制系统，其特征在于单片机(4) 中采用stm32fl03型号单片机。
6.权利要求1所述的固定翼无人机的定高飞行控制系统的控制方法，其特征在于其包括如下步骤a)开机自检及气压高度传感器、PPM端口初始化；b)通过遥控器(7)发送给接收机(5)的信号，检测当前控制模式，若为定高模式则进入步骤c)；c)数据采集阶段气压高度传感器(8)标准温度和压力参数数据，再将传感器数据发送到单片机，通过温度和压力数据，计算出当前压强大小，再经由压强一高度对应关系转换出当前无人机高度；d)通过与锁定高度对比，计算出高度差，并进入PD程序计算升降舵变化角度；e)判断升降角变化是否超出设定范围，如果超出，则进入步骤(f)，如果没有超出，则进入步骤(g)；设定的升降角变化范围为-15°到+25° ；f)将步骤5解算出的升降舵变化角度带入限制程序，加以-15°到+25°的限值；g)油门量与升降舵进行成比例联动控制，当上升时根据上升角度正比增大油门，当下降时根据下降角度正比降低油门；h)单片机4计算出的PPM值经由串口发送给升降舵5及油门，控制无人机的升降及油门大小；升降舵5的PPM值设定为-100到+100范围内变化，成正比例对应升降舵机所转角度， 升降舵机角度范围为-30°到+30°，但由于对范围进行了限定，定高飞行时实际升降角度范围为-15°到+25° ；油门PPM值设定为0到+100范围内变化，PPM值为0时电机停转， 升降舵角度为0°时对应电机PPM值为55，升降舵角度为+25°时PPM值为+100;当需要进行升舵控制时，电机PPM值计算公式为电机PPM = 55+(100-55) X (上升角度/25° )，当需要进行降舵控制时，电机PPM值计算公式为电机PPM = 55-55-5) X下降角度/15°，由上述公式可知，电机转速范围在5-100之间，根据升降角大小，呈正比例线性变化。
全文摘要
本发明公开了一种一种固定翼无人机的定高飞行控制系统与方法，涉及无人机控制领域，其以气压高度传感器作为高度测量元件，以外接锂电池对全套系统进行供电，传感器经过滤风装置进行保护，以减少在高空中风压对其影响，从而降低误差。当经过气压高度传感器测得相关信息后经由I2C总线将数据发送到单片机系统，在单片机中进行一系列的数据计算，即得到相应的高度信息，最终通过飞机上的升降舵及油门联动PD控制，操控舵机角度变化和油门大小，并在程序中加入高度过升、过降保护程序，进一步提高安全性，实现无人机的自主定高。本系统具有成本低、误差小、结构稳定、受外界环境干扰小、易于实现等优点。
文档编号B64C13/16GK102442424SQ201110324680
公开日2012年5月9日 申请日期2011年10月21日 优先权日2011年10月21日
发明者刘湘, 左国玉, 朱晓庆, 李晓伟, 王恺 申请人:北京工业大学