| 发明名称 | 一种基于机载传感器的小型四旋翼飞行器控制系统及方法 | ||
| 摘要 | 本发明涉及四旋翼飞行器的技术领域，更具体地，涉及一种基于机载传感器的小型四旋翼飞行器控制系统及方法。一种基于机载传感器的小型四旋翼飞行器控制系统，包括惯性测量单元模块、微处理器、电调、超声波传感器、光流传感器、摄像头、无线模块、直流无刷电机。本发明融合低成本、轻量的机载传感器系统的信息实时估计飞行器的6自由度飞行姿态，设计了内环姿态控制和外环位置控制的闭环控制策略，在没有全球定位系统（GPS）和室内定位系统的环境下，利用机载传感器系统和微处理器实现了旋翼飞行器的自主垂直起降、室内精确定位、自主悬停、自主追踪航迹点的飞行轨迹控制以及基于领队跟随策略的飞行器编队控制，为实现旋翼飞行器的自主飞行提供了一种可靠、精确、低成本的控制策略。 | ||
| 申请公布号 | CN103853156B | 申请公布日期 | 2016.06.01 |
| 申请号 | CN201410044861.X | 申请日期 | 2014.02.07 |
| 申请人 | 中山大学 | 发明人 | 成慧;陈有生 |
| 分类号 | G05D1/08(2006.01)I;G05D1/10(2006.01)I | 主分类号 | G05D1/08(2006.01)I |
| 代理机构 | 广州粤高专利商标代理有限公司 44102 | 代理人 | 陈卫 |
| 主权项 | 一种基于机载传感器的小型四旋翼飞行器控制系统的控制方法，包括惯性测量单元模块、微处理器（4）、电调（5）、超声波传感器（6）、光流传感器（7）、摄像头（8）、无线模块（9）、直流无刷电机（10）；所述惯性测量单元模块与微处理器（4）的IIC总线接口相连接；电调（5）与微处理器（4）的PWM口相连接；超声波传感器（6）与微处理器（4）的I/O口相连接；光流传感器（7）与微处理器（4）的SPI总线接口相连接；无线模块（9）与微处理器（4）的串口SCI相连接；直流无刷电机（10）与电调（5）的输出相连接；摄像头（8）与微处理器（4）连接；所述的惯性测量单元模块包括三轴磁力计（1）、三轴加速度计（2）、三轴陀螺仪（3），所述三轴磁力计（1）、三轴加速度计（2）、三轴陀螺仪（3）同时与微处理器（4）的IIC总线接口相连接；其特征在于，包括以下步骤：S1. 微处理器（4）读取三轴磁力计（1）、三轴加速度计（2）、三轴陀螺仪（3）的数据，并且将得到的数据进行数据融合解算得到飞行器的姿态信息；微处理器（4）读取超声波传感器（6）和光流传感器（7）的数据，并且将得到的数据转换成对应的位置坐标信息；S2. 基于估计得到的飞行器姿态和位置坐标信息，采用PID、PD或PI控制算法，计算出对应微处理器（4）需要输出的PWM信号；S3. 微处理器（4）将计算得到的PWM信号输出给电调（5）；S4. 电调（5）驱动直流无刷电机（10），通过控制四个电机的转速；所述的步骤S1中，三轴磁力计（1）、三轴加速度计（2）、三轴陀螺仪（3）估计飞行器的三个姿态角，三个姿态角包括俯仰角<img file="dest_path_image001.GIF" wi="14" he="20" />、横滚角<img file="dest_path_image002.GIF" wi="14" he="22" />、偏航角<img file="dest_path_image003.GIF" wi="17" he="18" />；所述的步骤S1中，超声波传感器（6）测得飞行器相对地面的高度z，光流传感器（7）测得飞行器水平方向的速度信息，对速度进行积分得到飞行器水平方向的位移，得到飞行器水平方向位置x和y；所述的姿态控制频率为400赫兹，位置控制频率为40赫兹，微处理器（4）每2.5毫秒读取三轴磁力计（1）、三轴加速度计（2）、三轴陀螺仪（3）的数据；微处理器（4）每25毫秒读取超声波传感器（6）和光流传感器（7）的数据；微处理器（4）获得飞行器完整的姿态角度和位置信息后，飞行器的自主飞行控制采用内环和外环的闭环控制结构，其中内环控制飞行器的姿态角，外环控制飞行器的位置，内环的姿态控制采用比例微分PD控制算法；外环的位置控制采用比例积分微分PID控制算法；控制方法包括飞行器垂直起降和悬停的控制方法、飞行器自主追踪航迹点的控制方法；飞行器垂直起降和悬停的控制方法为：将飞行器姿态期望值设为<img file="dest_path_image004.GIF" wi="134" he="15" />，水平方向位置设为<img file="dest_path_image005.GIF" wi="88" he="15" />，飞行器期望高度<img file="dest_path_image006.GIF" wi="14" he="11" />从地面起飞时的高度增加到一个期望高度，则可实现飞行器的垂直起飞；起飞后期望高度设置为一个常数，则飞行器悬停在期望高度；期望高度从当前高度减小到飞行器起飞是离地面的高度，实现飞行器的垂直降落；飞行器自主追踪航迹点的控制方法为：飞行器姿态期望值设为<img file="511837dest_path_image004.GIF" wi="134" he="15" />，飞行器的期望位置<img file="dest_path_image007.GIF" wi="62" he="12" />设为预定的航迹点的位置坐标，在飞行器当前点和预设的航迹点之间利用插值算法进行插值，生成期望飞行轨迹，飞行器按照期望飞行轨迹飞往预设的航迹点；其中，(<img file="dest_path_image008.GIF" wi="62" he="15" />)为飞行器姿态角的期望值，(<img file="dest_path_image009.GIF" wi="45" he="22" />)为飞行器姿态的估计值，(<img file="167595dest_path_image007.GIF" wi="62" he="12" />)为飞行器的期望位置，(<img file="dest_path_image010.GIF" wi="42" he="18" />)为测得的飞行器实际位置。 | ||
| 地址 | 510275 广东省广州市新港西路135号 | ||