一种六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及遥控模型多旋翼直升机的自主飞行控制技术领域，尤其涉及一种六旋 翼无人直升机跟踪飞行控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 六旋翼无人直升机是一种结构简单、易于操控、可垂直起降、悬停状态稳定的无人 飞行器。其有6个对称分布在机体四周、正反转成对的旋翼，通过改变各个旋翼转速来实现 对六个自由度的控制，普遍采用电能驱动。六旋翼无人直升机有极高的可控性、机动性和稳 定性，并且具有低噪声、无污染、携带方便、安全危害性小等特点，非常适合于执行中短距离 的飞行任务。其在军事和民用领域均具有广阔的应用前景，如侦察监视、通信中继、搜索救 援、目标跟踪、电力检修、航拍成像等。
[0003] 目前多旋翼无人直升机的导航方式多采用INS/GPS组合导航的方式。这导致多旋 翼无人直升机只有在室外GPS信号较强的场地，才能够自主地完成飞行任务，从而大大限 制了多旋翼无人直升机的应用范围。
[0004] 因此，解决上述问题是迫切需要的。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中所涉及的缺陷，提出一种六旋翼无 人直升机跟踪飞行控制系统及方法，用于解决六旋翼无人直升机在室内或无 GPS信号时的 跟踪飞行控制，扩展了多旋翼无人直升机的应用范围。
[0006] 本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：
[0007] -种六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统，包含机载部分和地面站控制部分，其 中，所述机载部分包含六旋翼飞行平台和飞行控制器，所述地面站控制部分包含具有无线 传输功能的测控终端；
[0008] 所述六旋翼飞行平台包含六组飞行机构、机架和无刷云台，所述六组飞行机构对 称地位于机架的六个端点，所述无刷云台固定所述机架的正下方；
[0009] 所述飞行机构包含电机、电调和螺旋桨，所述电机用于带动螺旋桨旋转，所述电调 用于调整电机的转速；
[0010] 所述飞行控制器包含飞行控制模块、传感器模块、视觉导航模块、无线传输模块、 电源模块和遥控接收机；
[0011] 所述飞行控制模块包含主控制单元和协处理单元；
[0012] 所述传感器模块包含六轴姿态传感器、电子罗盘、超声波高度计、雷达传感器；
[0013] 所述视觉导航模块包含摄像头和图像处理单元，所述摄像头设置在无刷云台上；
[0014] 所述主控制单元分别与六组飞行机构、六轴姿态传感器、超声波高度计、协处理单 元、图像处理单元电气相连，所述图像处理单元分别与雷达传感器、摄像头电气相连；所述 协处理单元与无线数传模块电气相连；
[0015] 所述测控终端与所述无线数传模块通过无线进行数据通讯。
[0016] 作为本发明一种六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统进一步的优化方案，所述电 源模块包含三块电池，分别为六旋翼无人直升机的六组飞行机构、飞行控制模块和视觉导 航模块提供电源。
[0017] 作为本发明一种六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统进一步的优化方案，所述主 控制单元采用ATMEGA2560单片机，所述协处理单元采用ATMEGA32U2单片机。
[0018] 作为本发明一种六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统进一步的优化方案，所述六 轴姿态传感器采用MPU-6000六轴姿态传感器，所述超声波传感器采用LV-MaxSonar-EZl声 波传感器，所述雷达传感器采用UTM-30LX信号激光扫描测距仪。
[0019] 本发明还公开了基于该六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统的控制方法，包含以 下步骤：
[0020] 步骤1)，控制六旋翼无人直升机同时执行前飞和上升两个动作，并实时反馈上升 过程中六旋翼无人直升机的姿态数据、相对速度数据和高度数据；
[0021] 步骤2)，将反馈的高度数据与预设的高度阈值作比较，当反馈的高度数据等于预 设的高度阈值时，停止上升；
[0022] 步骤3)，检测是否存在追踪目标；
[0023] 步骤4)，如果没有检测到追踪目标，根据实时反馈的姿态数据、相对速度数据和高 度数据控制六旋翼无人直升机保持悬停状态；
[0024] 步骤5)，如果检测到追踪目标，采用摄像头捕捉跟踪目标，对跟踪目标的捕捉图像 进行解算，得出六旋翼无人直升机和跟踪目标的相对位置信息，即跟踪误差数据，根据以下 控制律计算出控制量，分配给六组执行机构，以此控制六旋翼无人直升机飞行：
【主权项】
1. 一种六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统，其特征在于，包含机载部分和地面站控 制部分，其中，所述机载部分包含六旋翼飞行平台和飞行控制器，所述地面站控制部分包含 具有无线传输功能的测控终端； 所述六旋翼飞行平台包含六组飞行机构、机架和无刷云台，所述六组飞行机构对称地 位于机架的六个端点，所述无刷云台固定所述机架的正下方； 所述飞行机构包含电机、电调和螺旋奖，所述电机用于带动螺旋奖旋转，所述电调用于 调整电机的转速； 所述飞行控制器包含飞行控制模块、传感器模块、视觉导航模块、无线传输模块、电源 模块和遥控接收机； 所述飞行控制模块包含主控制单元和协处理单元； 所述传感器模块包含六轴姿态传感器、电子罗盘、超声波高度计、雷达传感器； 所述视觉导航模块包含摄像头和图像处理单元，所述摄像头设置在无刷云台上； 所述主控制单元分别与六组飞行机构、六轴姿态传感器、超声波高度计、协处理单元、 图像处理单元电气相连，所述图像处理单元分别与雷达传感器、摄像头电气相连；所述协处 理单元与无线数传模块电气相连； 所述测控终端与所述无线数传模块通过无线进行数据通讯。
2. 根据权利要求1所述的六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统，其特征在于，所述电 源模块包含=块电池，分别为六旋翼无人直升机的六组飞行机构、飞行控制模块和视觉导 航模块提供电源。
3. 根据权利要求1所述的六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统，其特征在于，所述主 控制单元采用ATMEGA2560单片机，所述协处理单元采用ATMEGA32U2单片机。
4. 根据权利要求1所述的六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统，其特征在于，所述六 轴姿态传感器采用MPU-6000六轴姿态传感器，所述超声波传感器采用LV-MaxSonar-EZl声 波传感器，所述雷达传感器采用UTM-30LX信号激光扫描测距仪。
5. 基于权利要求1所述的六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统的控制方法，其特征在 于，包含W下步骤： 步骤1)，控制六旋翼无人直升机同时执行前飞和上升两个动作，并实时反馈上升过程 中六旋翼无人直升机的姿态数据、相对速度数据和高度数据； 步骤2)，将反馈的高度数据与预设的高度阔值作比较，当反馈的高度数据等于预设的 高度阔值时，停止上升； 步骤3)，检测是否存在追踪目标； 步骤4)，如果没有检测到追踪目标，根据实时反馈的姿态数据、相对速度数据和高度数 据控制六旋翼无人直升机保持悬停状态； 步骤5)，如果检测到追踪目标，采用摄像头捕捉跟踪目标，对跟踪目标的捕捉图像进行 解算，得出六旋翼无人直升机和跟踪目标的相对位置信息，即位置误差数据，根据W下控制 律计算出控制量，分配给六组执行机构，W此控制六旋翼无人直升机飞行：
其中，A 5为飞行机构的控制量，A e为位置误差数据，A e'为位置误差数据变化率， kp为位置误差数据的系数，ki为位置误差数据积分的系数，kd为位置误差数据变化率的系 数，P为比例控制参数，i为积分控制参数，d为微分控制参数，U为速率数据，k' P为速率数 据的系数。
6. 根据权利要求5所述的六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统的控制方法，其特征在 于，所述步骤4)中控制六旋翼无人直升机保持悬停状态的详细步骤如下： 分别将实时反馈的姿态数据、相对速度数据和高度数据与悬停状态下的同类数据进行 比较，得到的误差数据，根据W下控制律计算出六组飞行机构的控制量，W此控制六旋翼无 人直升机飞行： A 5 = kp A e+ki / A e+k d A e'。
7. 根据权利要求5所述的六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统的控制方法，其特征在 于，六旋翼无人直升机俯仰通道的姿态保持控制律为；
六旋翼无人直升机横滚通道的姿态保持控制律为：
其中，A 5。、A 5。分别为俯仰、横滚方向的控制量，A e e和心。分别是俯仰角误差和俯 仰角速度的误差，Ae?^和Ae^分别是横滚角误差和横滚角速度的误差，tp。、4^和&^。即为 俯仰角位移、俯仰角位移积分和俯仰角速率的系数，Ap,、气和即为横滚角位移、横滚角 位移积分和横滚角速率的系数。
8. 根据权利要求5所述的六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统的控制方法，其特征在 于，六旋翼无人直升机在悬停模态下的高度保持的控制律为；
其中，A 5。为高度方向的控制量，A Gh和A句是高度误差和高度变化率的误差， 、,,、\和^,"是控制参数。
9. 根据权利要求5所述的六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统的控制方法，其特征在 于，六旋翼无人直升机在水平X方向的跟踪控制律为：
其中，A 5 e、A 5,分别为x、y方向控制量，u、v分别为x、y方向的速率数据，Ae,、 A 为X轴方向的误差和误差变化律，A 6y、A e/为y轴方向的误差和误差变化律，
、\、Arf，和是X轴方向的控制参数，、,、A,.,、片，和片，是y轴方向的控制参数。
【专利摘要】本发明公开了一种六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统及方法，六旋翼无人直升机跟踪飞行控制系统包括机载部分、地面站控制部分，所述的机载部分包括六旋翼飞行平台和飞行控制器，所述的地面站控制部分包括具有无线传输功能的测控终端；本系统包括自动控制和手动控制两种模式；该系统具有体积小重量轻的特点。本发明还公开了一种六旋翼无人直升机飞行控制系统的控制方法，通过闭环控制算法计算控制输出量来控制执行机构工作；该方法实现了六旋翼无人直升机在室内的跟踪飞行，扩展了多旋翼无人直升机的应用范围。本发明具有很好的社会经济效益。
【IPC分类】G05D1-10, G08C17-02
【公开号】CN104597912
【申请号】CN201410766880
【发明人】孙一力, 甄子洋, 王硕, 王新华
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2014年12月12日