微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系统及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微小型无人直升机的自主飞行控制技术领域，尤其涉及一种微小型无 人直升机多模态自主飞行的控制系统及其方法。
【背景技术】
[0002] 微小型无人直升机，一般是载重在IOkg以下直升机，其具有机动灵活、安全可靠 等特点。相比于其它无人机，小型无人直升机具有造价低，体积小，重量轻，飞行相对灵活， 具有垂直起降、空中悬停、协调转弯、向前和向后飞行等多种飞行模态。而且它对起飞场地 和使用环境的要求低，更易于适应复杂多变的环境，在军事和民用领域均具有广阔的应用 前景，如侦察监视、搜索救援、目标跟踪、电力检修、航拍成像等。
[0003] 然而，微小型无人直升机是一个非常复杂的高阶控制对象，它具有高度非线性和 复杂的动力学特性，纵横向轴间耦合强，开环不稳定，这些都给微小型无人直升机的控制带 来了不小的难度。直升机动特性的不稳定，导致其对控制系统的依赖程度比其它飞行器大 得多，因此，计算机飞行控制系统已经成为微小型无人直升机自主飞行不可或缺的重要组 成部分
[0004] 目前，微小型无人直升机基本都是通过专业的操纵人员通过无线遥控以及机载电 子控制系统来控制，从而完成飞行任务。这对操纵人员的技术要求较高，而且只能在有限的 距离内飞行，大大限制了微小型无人直升机的应用范围。
[0005] 因此，解决上述问题就显得很重要。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中所涉及的问题，提供一种微小型无 人直升机多模态自主飞行的控制系统及其方法。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008] 微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系统，包含机载部分和地面站控制部 分；
[0009] 所述的地面站控制部分包含地面监控站、地面无线数传和遥控器，所述地面监控 站和地面无线数传电气相连；
[0010] 所述机载部分包含飞行控制模块、传感器模块、机载无线数传、遥控接收机和执行 机构；
[0011] 所述传感器模块包括气压传感器、超声波测高传感器、速度传感器、航姿传感器和 GPS ；
[0012] 所述飞行控制模块分别和气压传感器、超声波测高传感器、速度传感器、航姿传感 器、GPS、机载无线数传、遥控接收机、执行机构电气相连，用于接收的遥控信号或地面控制 信号，并经过计算后输出控制信号控制执行机构工作；
[0013] 所述遥控接收机用于在无线遥控模式时接收遥控器的遥控信号并将其传递给飞 行控制模块；
[0014] 所述机载无线数传和地面无线数传基于无线通信。
[0015] 作为本发明微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系统进一步的优化方案，所 述飞行控制模块采用DSP模块。
[0016] 作为本发明微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系统进一步的优化方案，所 述DSP模块采用DSP芯片TMS320F28335。
[0017] 作为本发明微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系统进一步的优化方案，所 述执行机构包含一个电机和四个舵机，所述电机用于控制旋翼转速，所述四个舵机分别用 于控制总距、尾桨桨距、横向周期变距、纵向周期变距。
[0018] 本发明还公开了微小型无人直升机多模态自主飞行的控制方法，包含以下步骤：
[0019] 步骤1)，采集无人直升机的角速度数据、姿态数据、高度数据、速度数据和位置信 息；
[0020] 步骤2)，将接收到的地面站的控制指令转换为无人直升机的动作指令；
[0021] 步骤3)，根据动作指令以及无人直升机的角速度数据、姿态数据、高度数据、速度 数据、位置信息计算出无人直升机执行机构的控制量；
[0022] 步骤4)，根据步骤3)中计算出的控制量控制无人直升机的执行机构动作，并反馈 无人直升机的角速度数据、姿态数据、高度数据、速度数据和位置信息，与动作指令形成闭 环控制。
[0023] 作为微小型无人直升机多模态自主飞行的控制方法进一步的优化方案，步骤3) 中所述计算无人直升机执行机构控制量的公式为：
【主权项】
1. 微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系统，其特征在于，包含机载部分和地面 站控制部分； 所述的地面站控制部分包含地面监控站、地面无线数传和遥控器，所述地面监控站和 地面无线数传电气相连； 所述机载部分包含飞行控制模块、传感器模块、机载无线数传、遥控接收机和执行机 构； 所述传感器模块包括气压传感器、超声波测高传感器、速度传感器、航姿传感器和 GPS ； 所述飞行控制模块分别和气压传感器、超声波测高传感器、速度传感器、航姿传感器、 GPS、机载无线数传、遥控接收机、执行机构电气相连，用于接收的遥控信号或地面控制信 号，并经过计算后输出控制信号控制执行机构工作； 所述遥控接收机用于在无线遥控模式时接收遥控器的遥控信号并将其传递给飞行控 制模块； 所述机载无线数传和地面无线数传基于无线通信。
2. 根据权利要求1所述的微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系统，其特征在 于，所述飞行控制模块采用DSP模块。
3. 根据权利要求2所述的微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系统，其特征在 于，所述DSP模块采用DSP芯片TMS320F28335。
4. 根据权利要求1所述的微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系统，其特征在 于，所述执行机构包含一个电机和四个舵机，所述电机用于控制旋翼转速，所述四个舵机分 别用于控制总距、尾桨桨距、横向周期变距、纵向周期变距。
5. 微小型无人直升机多模态自主飞行的控制方法，其特征在于，包含以下步骤： 步骤1)，采集无人直升机的角速度数据、姿态数据、高度数据、速度数据和位置信息； 步骤2)，将接收到的地面站的控制指令转换为无人直升机的动作指令； 步骤3)，根据动作指令以及无人直升机的姿态数据、高度数据、速度数据、位置信息计 算出无人直升机执行机构的控制量； 步骤4)，根据步骤3)中计算出的控制量控制无人直升机的执行机构动作，并反馈无人 直升机的姿态数据、高度数据、速度数据和位置信息，与动作指令形成闭环控制。
6. 根据权利要求5所述的微小型无人直升机多模态自主飞行的控制方法，其特征在 于，步骤3)中所述计算无人直升机执行机构控制量的公式为： AS = kpAe + AiJ Ae + kdAe 其中，Λ δ为执行机构的控制量，Ae为误差数据，Δ?为误差数据变化率，1^为误差数 据的系数，h为误差数据积分的系数，k d为误差数据变化率的系数。
【专利摘要】本发明公开了一种微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系统及其方法，该系统包含机载部分和地面站控制部分；地面站控制部分包含地面站、地面无线数传和遥控器；机载部分包含飞行控制模块、传感器模块、机载无线数传、遥控接收机和执行机构；飞行控制模块分别和传感器模块、机载无线数传、遥控接收机、执行机构电气相连，用于根据接收的遥控信号或地面控制信号控制执行机构工作；遥控接收机用于在无线遥控模式时接收遥控器的遥控信号并将其传递给飞行控制模块；机载无线数传和地面无线数传基于无线通信。本发明解决了微小型无人直升机开环不可控的问题，并且使其能够进行多模态自主飞行，拓展了其应用范围，具有一定的经济效益。
【IPC分类】G05D1-10
【公开号】CN104656660
【申请号】CN201510033400
【发明人】贾森, 龚华军, 王新华, 吴赛飞
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年1月22日