一种基于混合控制方法的四旋翼无人飞行器平台的制作方法
【专利摘要】一种基于混合控制方法的四旋翼无人飞行器平台，其特征在于飞行器平台结构包括五个子模块，其中S1为微处理器模块，S2为导航测量系统，S3为无刷电机驱动系统，S4为Wi-Fi无线通信系统，S5为人机监控系统，各模块由多个器件构成，所述的飞行器混合控制系统控制结构由以下元素构成，其中：Q1为无刷电机一号，Q2为无刷电机二号，Q3为无刷电机三号，Q4为无刷电机四号，A1为航向角增量，A2为升力增量，A3为横滚角增量，A4为俯仰角增量，B1为无刷电机Q1的期望转速，B2为无刷电机Q2的期望转速，B3为无刷电机Q3的期望转速，B4为无刷电机Q4的期望转速。可以有效实现控制四旋翼无人飞行器，增强对外界扰动的稳定性，提高系统的控制性能。
【专利说明】—种基于混合控制方法的四旋翼无人飞行器平台
【技术领域】
[0001]一种基于混合控制方法的四旋翼无人飞行器平台属于智能飞行机器人控制领域。【背景技术】
[0002]四旋翼无人飞行器是一种垂直起降无人驾驶飞行器Vertical Take-off andLanding Unmanned Aerial Vehicle, VTOL UAV),国夕卜又称 Quad rotor, Four rotor 或X4-flyer等，本发明将其称为四旋翼无人驾驶飞行器。它具有四个呈十字交叉结构的旋翼，通过调节四个电机的转速实现姿态控制，从而改变飞行器在空间中的位置。近年来，四旋翼无人飞行器以其新颖的结构布局和独特的飞行方式引起了人们的广泛关注，迅速成为国际上新的研究热点。四旋翼无人驾驶飞行器在搜索和救援任务、气象监测、大地测量、军事应用等领域具有巨大的应用前景；同时，作为一个具有二阶非完整约束的六自由度飞行器，可以作为科学研究的载体，进行先进控制方法和机器人学领域的相关实验研究。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于设计一种四旋翼无人飞行器混合控制方法，可以有效实现控制四旋翼无人飞行器，增强对外界扰动的稳定性，提高系统的控制性能。
[0004]本发明的目的是这样实现的:
[0005]以四旋翼无人飞行器为平台，搭载微处理器模块SI，导航测量系统S2，无刷电机驱动系统S3，W1-Fi无线通信系统S4以及人机监控系统S5，构成了一套四旋翼无人飞行器控制系统。其中微处理器模块是以DSP/FPGA嵌入式处理器为核心，实现测量数据的采集，并通过混合控制方法，计算出四旋翼无人飞行器的无刷电机的控制量；导航测量系统用来完成对四旋翼无人飞行器运动参数的实时估计；无刷电机驱动系统由微控制器和驱动电路组成，实现对四个无刷直流电机的控制；W1-Fi无线通信系统用来完成四旋翼无人飞行器与地面站的通信，获取四旋翼无人飞行器的期望指令；最后通过人机监控系统实现对四旋翼无人飞行器平台飞行参数的监控与记录。
[0006]1.上述的一种基于混合控制方法的四旋翼无人飞行器平台，所述的气压计I用来测量四旋翼无人飞行器的高度信息，与A/D器件5相连；
[0007]2.上述的一种基于混合控制方法的四旋翼无人飞行器平台，所述的惯性测量单元2用来测量四旋翼无人飞行器的的姿态速率和比力等数据，与A/D器件6相连；
[0008]3.上述的一种基于混合控制方法的四旋翼无人飞行器平台，所述的GPS模块3用来测量四旋翼无人飞行器的的平面位置信息，与FPGA处理器9的接口为RS232串行总线7 ;
[0009]4.上述的一种基于混合控制方法的四旋翼无人飞行器平台，所述的电子罗盘4、测量四旋翼无人飞行器的的航向信息，与FPGA处理器9的接口为IIC总线8。
[0010]5.上述的一种基于混合控制方法的四旋翼无人飞行器平台，所述的微处理器模块包括:
[0011][I].FPGA处理器9、通过A/D器件5读取气压计I数据，通过A/D器件6读取惯性测量单元2数据，通过RS232串行总线7读取GPS模块3数据，通过IIC总线8读取电子罗盘4数据。FPGA处理器9把所有数据统一传入双口 RAM 18 ；
[0012][2].DSP处理器10、从双口 RAM 18中获取导航测量系统的测量数据，从SPI总线12中获取四旋翼无人飞行器的期望指令，经过内部混合控制器计算出四旋翼无人飞行器4个无刷电机的期望速度，传入IIC总线11中，同时将四旋翼无人飞行器的飞行参数传入W1-Fi信号处理模块14 ；
[0013][3].双口 RAM 18、负责FPGA处理器9和DSP处理器10之间的数据交换，通过地址总线相连接。
[0014]6.上述的一种基于混合控制方法的四旋翼无人飞行器平台，所述的无刷电机驱动系统包括:
[0015][I].电子调速器ECS 13、从IIC总线11中获取无刷电机13的期望转速，通过内部解算，用PWM控制MOSFET的导通和关断，驱动无刷电机Q1-Q4。
[0016][2].无刷电机Q1-Q4，最终执行元件，由电子调速器所控制，4个电机的转速不同能够改变四旋翼无人飞行器的姿态和位置。
[0017]7.上述的一种基于混合控制方法的四旋翼无人飞行器平台，所述的W1-Fi无线通信系统包括:
[0018][I].机载W1-Fi无线通信模块15、从无线局域网中获取W1-Fi无线通信模块16获取四旋翼无人飞行器的期望指令，传入W1-Fi信号处理模块14，同时从W1-Fi信号处理模块14中获取四旋翼无人飞行器的飞行参数发送至无线网中。
[0019][2].W1-Fi无线通信模块16、与人机监控界面17采用互联网接口通信获取四旋翼无人飞行器的期望指令，并将以上信息发送至无线网中。
[0020][3].W1-Fi信号处理模块14、从机载W1-Fi无线通信模块15中获取数据传入SPI总线12，同时从SPI总线12中获取四旋翼无人飞行器的飞行参数传入机载W1-Fi无线通信模块15。
[0021]8.上述的一种基于混合控制方法的四旋翼无人飞行器平台，所述的人机监控界面17、用来对四旋翼无人飞行器的飞行参数做实时记录和绘图，动态显示四旋翼无人飞行器的姿态，通过局域网发送期望指令到W1-Fi无线通信模块16中。
[0022]终上所诉，相比于相应领域中的其他四旋翼无人飞行器控制器，本发明具有以下优点:
[0023]第一，本发明采用了 DSP/FPGA嵌入式处理器，FPGA负责采集数据，DSP负责计算，两者之间采用双口 RAM进行数据交换，减少数据流的时间延迟，这样的组合充分运用两个微处理器的优点，更有效地完成控制任务，使整个控制系统更合理。
[0024]第二，本发明应用多个导航测量单元，通过多源信息融合算法，能够得到更加精确的四旋翼无人飞行器飞行参数，提高控制的精度。
[0025]第三，对四旋翼无人飞行器建模并在平衡点附近做近似处理，完全解耦成完整驱动部分和欠驱动部分，通过混合控制方法，实现完整驱动部分的状态反馈控制和欠驱动部分的滑模控制，此项混合控制方法的应用，使得四旋翼无人飞行器的控制精度得到提高，同时增强在外界扰动下的鲁棒性。
[0026]第四，本发明设计了一套人机监控系统，能够详细的监控四旋翼无人飞行器飞行参数，为控制系统提供数据支持。
[0027]以下结合【专利附图】
【附图说明】和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1四旋翼无人飞行器平台结构图
[0029]图2四旋翼无人飞行器混合控制系统控制结构图
[0030]图3四旋翼无人飞行器平台软件流程图
[0031]图中:1气压计，2惯性测量单元，3 GPS, 4电子罗盘，5 A/D，6 A/D, 7 RS232，8lie,9采集数据部分FPGA，10计算部分DSP，11 IIC，12 SPI，13电子调速器ECS，14 Wifi处理器，15机载wifi无线通信模块，16 wifi无线通信模块，17人机监控界面，18双口RAM, 19高度、航向状态反馈控制器，20欠驱动系统滑模控制器，21控制器合成控制器，22高度、航向期望输入，23水平位置期望输入，24导航测量系统，B1-B4无刷电机期望速度，SI微处理器模块，S2导航测量系，S3无刷电机驱动系统，S4 W1-Fi无线通信系统，S5地面站_人机监控系统，Ql无刷电机一号，Q2无刷电机二号,Q3无刷电机三号,Q4无刷电机四号。
【具体实施方式】
[0032]四旋翼无人飞行器平台结构如图1所示，由五个子模块组成，其中SI为微处理器模块，S2为导航测量系统，S3为无刷电机驱动系统，S4为W1-Fi无线通信系统，S5为人机监控系统。各模块由多个器件构成，其中I为气压计，2为惯性测量单元，3为GPS模块，4为电子罗盘，5为A/D转换器件，6为A/D转换器件，7为RS232串行总线，8为IIC总线，9为FPGA处理器，10为DSP处理器，11为IIC总线，12为SPI总线，13为电子调速器，14为W1-Fi处理器，15为机载W1-Fi无线通信模块，16为W1-Fi无线通信模块，17为人机监控界面，18为双口 RAM，19为高度、航向状态反馈控制器，20为欠驱动系统滑模控制器，21为控制量合成控制器。
[0033]四旋翼无人飞行器混合控制系统控制结构如图2所示，图中中Ql为无刷电机一号，Q2为无刷电机二号，Q3为无刷电机三号，Q4为无刷电机四号，Al为航向角增量，A2为升力增量，A3为横滚角增量，A4为俯仰角增量，BI为无刷电机Ql的期望转速，B2为无刷电机Q2的期望转速，B3为无刷电机Q3的期望转速，B4为无刷电机Q4的期望转速。四旋翼无人飞行器主要运动模式为姿态运动和位置运动，本发明分别针对偏航运动和俯仰/横滚运动进行混合控制。
[0034]所述的气压计I用来测量四旋翼无人飞行器的高度信息，与A/D器件5相连；
[0035]所述的惯性测量单元2用来测量四旋翼无人飞行器的的姿态速率和比力等数据，与A/D器件6相连；
[0036]所述的GPS模块3用来测量四旋翼无人飞行器的的平面位置信息，与FPGA处理器9的接口为RS232串行总线7 ；
[0037]所述的电子罗盘4、测量四旋翼无人飞行器的的航向信息，与FPGA处理器9的接口为IIC总线8。
[0038]所述的微处理器模块包括:[0039][I].FPGA处理器9、通过A/D器件5读取气压计I数据，通过A/D器件6读取惯性测量单元2数据，通过RS232串行总线7读取GPS模块3数据，通过IIC总线8读取电子罗盘4数据。FPGA处理器9把所有数据统一传入双口 RAM 18 ；
[0040][2].DSP处理器10、从双口 RAM 18中获取导航测量系统的测量数据，从SPI总线12中获取四旋翼无人飞行器的期望指令，经过内部混合控制器计算出四旋翼无人飞行器4个无刷电机的期望速度，传入IIC总线11中，同时将四旋翼无人飞行器的飞行参数传入W1-Fi信号处理模块14 ；
[0041][3].双口 RAM 18、负责FPGA处理器9和DSP处理器10之间的数据交换，通过地址总线相连接。
[0042]所述的无刷电机驱动系统包括:
[0043][I].电子调速器ECS 13、从IIC总线11中获取无刷电机13的期望转速，通过内部解算，用PWM控制MOSFET的导通和关断，驱动无刷电机Q1-Q4。
[0044][2].无刷电机Q1-Q4，最终执行元件，由电子调速器所控制，4个电机的转速不同能够改变四旋翼无人飞行器的姿态和位置。
[0045]所述的W1-Fi无线通信系统包括:
[0046][I].机载W1-Fi无线通信模块15、从无线局域网中获取W1-Fi无线通信模块16获取四旋翼无人飞行器的期望指令，传入W1-Fi信号处理模块14，同时从W1-Fi信号处理模块14中获取四旋翼无人飞行器的飞行参数发送至无线网中。
[0047][2].W1-Fi无线通信模块16、与人机监控界面17采用互联网接口通信获取四旋翼无人飞行器的期望指令，并将以上信息发送至无线网中。
[0048][3].W1-Fi信号处理模块14、从机载W1-Fi无线通信模块15中获取数据传入SPI总线12，同时从SPI总线12中获取四旋翼无人飞行器的飞行参数传入机载W1-Fi无线通信模块15。
[0049]所述的人机监控界面17、用来对四旋翼无人飞行器的飞行参数做实时记录和绘图，动态显示四旋翼无人飞行器的姿态，通过局域网发送期望指令到W1-Fi无线通信模块16中。
【权利要求】
1.一种基于混合控制方法的四旋翼无人飞行器平台，其特征在于飞行器平台结构包括五个子模块，其中SI为微处理器模块，S2为导航测量系统，S3为无刷电机驱动系统，S4为W1-Fi无线通信系统，S5为人机监控系统，各模块由多个器件构成，其中(I)为气压计，(2)为惯性测量单元，(3)为GPS模块，(4)为电子罗盘，(5)为A/D转换器件，(6)为A/D转换器件，(7)为RS232串行总线，(8)为IIC总线，(9)为FPGA处理器，(10)为DSP处理器，(11)为IIC总线，(12)为SPI总线，(13)为电子调速器，(14)为W1-Fi处理器，(15)为机载W1-Fi无线通信模块，(16)为W1-Fi无线通信模块，(17)为人机监控界面，(18)为双口RAM, (19)为高度、航向状态反馈控制器，(20)为欠驱动系统滑模控制器，(21)为控制量合成控制器。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合控制方法的四旋翼无人飞行器平台，其特征在于所述的飞行器混合控制系统控制结构由以下元素构成，其中:Q1为无刷电机一号，Q2为无刷电机二号，Q3为无刷电机三号，Q4为无刷电机四号,Al为航向角增量,A2为升力增量，A3为横滚角增量，A4为俯仰角增量，BI为无刷电机Ql的期望转速，B2为无刷电机Q2的期望转速，B3为无刷电机Q3的期望转速，B4为无刷电机Q4的期望转速。
【文档编号】G05D1/10GK103809596SQ201210448706
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月12日 优先权日:2012年11月12日
【发明者】王璐, 廖粤峰, 赵自超, 许可, 李冰, 马涛 申请人:哈尔滨恒誉名翔科技有限公司