[實(shí)用新型]一種四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201220557994.3
• 申請(qǐng)日: 2012-10-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN202854611U
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王偉;馬浩;胡凱;翁理國(guó);夏旻;朱海飛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京信息工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)，屬于飛行器控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

早在上個(gè)世紀(jì)中葉，微小型多旋翼飛行器已經(jīng)受到海外一些研究機(jī)構(gòu)的矚目，但多旋翼飛行器一般尺寸較小，負(fù)載能力相對(duì)較差，無(wú)法搭載傳統(tǒng)的高精度傳感器。直到本世紀(jì)初，MEMS傳感器技術(shù)的發(fā)展使微小型多旋翼飛行器的研究得到突破。

姿態(tài)控制是多旋翼飛行控制的基礎(chǔ)。為完成姿態(tài)控制，首先必須得到飛行器的姿態(tài)信息。目前飛行器姿態(tài)角的測(cè)量方法主要有：1、采用高精度的陀螺儀。雖然價(jià)格相對(duì)較低，但陀螺儀本身存在漂移，隨時(shí)間增加，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度會(huì)很差。2、采用加速度計(jì)和地磁計(jì)對(duì)陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而抑制傳感器漂移。此方法的準(zhǔn)確度與采用的補(bǔ)償算法有關(guān)，一般有歐拉角、四元數(shù)、旋轉(zhuǎn)矢量、擴(kuò)展卡爾曼等。商業(yè)化的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)主要有美國(guó)Crossbow公司的MNAV模塊和荷蘭Xsens公司的MTi，但他們的價(jià)格都高達(dá)數(shù)萬(wàn)人民幣，嚴(yán)重影響了其應(yīng)用范圍。

3、采用圖像處理的方法。此方法通過(guò)對(duì)圖像的處理結(jié)合相應(yīng)算法可得到較為準(zhǔn)確的姿態(tài)信息，但圖像處理數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)更新頻率慢，不易滿足飛行器的需要。此外，因?yàn)閳D像處理一般需要安裝圖像采集設(shè)備和標(biāo)志物等，受環(huán)境的制約較大，無(wú)法廣泛采用。

目前，姿態(tài)控制器的設(shè)計(jì)方法較多，如PID控制、現(xiàn)代控制、模糊控制等，并取得了一定的控制效果。但以上控制方法大都對(duì)模型的準(zhǔn)確性要求較高，當(dāng)模型攝動(dòng)或是受到外界干擾時(shí)其控制品質(zhì)會(huì)明顯下降，嚴(yán)重影響了多旋翼飛行器的應(yīng)用范圍。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)解決方案為：一種四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)，包括DC-DC電路、三軸加速度器、地磁計(jì)、陀螺儀、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微處理器，所述三軸加速度器、地磁計(jì)、陀螺儀通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器與微處理器相連，三軸加速度器、地磁計(jì)、陀螺儀將檢測(cè)到模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送到微處理器進(jìn)行處理和控制。

進(jìn)一步地優(yōu)化方案，本實(shí)用新型四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)中，所述陀螺儀的數(shù)量為三個(gè)。

一種四旋翼飛行器姿態(tài)控制方法，包括以下步驟：

步驟一、獲取當(dāng)前飛行器的姿態(tài)角信息，所述姿態(tài)角包括滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角；

步驟二、分別設(shè)計(jì)滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角的控制器，其中滾轉(zhuǎn)角與俯仰角的控制器相同；

步驟三、對(duì)步驟二中獲得的三個(gè)控制器的控制量進(jìn)行疊加后輸出一個(gè)總的驅(qū)動(dòng)信號(hào)從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作以控制飛行器姿態(tài)。

進(jìn)一步地優(yōu)化方案，所述四旋翼飛行器姿態(tài)控制方法中，步驟一中獲取當(dāng)前飛行器的姿態(tài)角信息，具體如下：

（1-1）建立飛行器的姿態(tài)角模型，其中包括滾轉(zhuǎn)角模型、俯仰角模型和偏航角模型，所述滾轉(zhuǎn)角模型和俯仰角模型相同均為：