[發(fā)明專利]一種無人直升機飛行控制系統(tǒng)及其控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310563895.5
• 申請日: 2013-11-14
• 公開（公告）號: CN103611324A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 魯盈悅;江駒;王新華;甄子洋;王碩
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: A63H30/04
• 分類號: A63H30/04;A63H27/133
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明公開了一種無人直升機飛行控制系統(tǒng)及其控制方法，屬于遙控模型（無人）直升機的自主控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

當(dāng)前市場上的遙控模型直升機工作在信號直通的方式，即操縱手通過控制手持遙控器發(fā)出信號，安裝于直升機上的接收機收到信號后直接驅(qū)動舵機和電機，通過改變脈寬來改變主旋翼轉(zhuǎn)速和十字盤位置，進而控制直升機按遙控器動作。部分直升機還配有機載陀螺儀，能增加一定的阻尼，便于控制。

這種手控的工作方式簡單方便，但帶來一個問題：遙控模型直升機控制難度大，且無法實現(xiàn)自主飛行。直升機與固定翼飛機相比，氣動特性更加復(fù)雜，動特性都是不穩(wěn)定的，并且各個通道間存在很強的軸間耦合，且現(xiàn)有技術(shù)中直升機控制系統(tǒng)體積及重量大，不便于安裝，且成本較高。

目前，模型直升機的飛行控制系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，所以人工駕駛的難度很大，一般都由專業(yè)的航模駕駛?cè)藛T操縱。當(dāng)遙控模型直升機遭遇較大氣流擾動時，控制難度會加大，甚至處于非可控狀態(tài)，這樣，遙控直升機的任務(wù)可執(zhí)行性就大打折扣了。

因此，解決上述問題是迫切需要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種無人直升機飛行控制系統(tǒng)，解決了直升機控制系統(tǒng)體積重量大不方便安裝及成本高的問題。

為解決上述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是：

一種無人直升機飛行控制系統(tǒng)，包括機載單元、地面控制站單元，所述的機載單元包括飛行控制計算機、傳感器模塊、伺服操縱模塊、無線傳輸模塊、遙控接收機、執(zhí)行機構(gòu)，所述的地面控制單元包括具有無線傳輸功能的測控終端；所述測控終端包括PC控制臺及遙控器，所述飛行控制計算機包括DSP模塊、FPGA模塊；所述無人直升機飛行控制系統(tǒng)的控制模式包括手動控制模式與自動控制模式：

手動控制模式時，遙控接收機接收遙控器信號傳輸至DSP模塊，DSP模塊對接收的信號處理后分別輸出至伺服操縱模塊，控制執(zhí)行機構(gòu)工作；

自動控制模式時，所述傳感器模塊實時采集直升機的姿態(tài)數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA模塊；所述PC控制臺通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸至FPGA模塊；所述FPGA模塊實時接收傳感器數(shù)據(jù)及PC控制臺數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后定時發(fā)送至DSP模塊，所述DSP模塊對接收的信號處理后分別輸出至執(zhí)行機構(gòu)，控制執(zhí)行機構(gòu)工作。

所述FPGA模塊包括UART串口；所述傳感器模塊包括氣壓傳感器、高度傳感器、速度傳感器、航姿傳感器、GPS；所述氣壓傳感器、高度傳感器、速度傳感器的輸出分別與FPGA模塊的IO口連接，所述GPS的輸出與FPGA模塊的UART串口連接，所述航姿傳感器的輸出信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后輸入至FPGA模塊。

本發(fā)明還提供了一種無人直升機飛行控制系統(tǒng)的控制方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中開環(huán)系統(tǒng)帶來控制難度大的問題。

為解決上述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是：

一種無人直升機飛行控制系統(tǒng)的控制方法，所述DSP模塊包括傳感器數(shù)據(jù)解算模塊、舵機控制模塊、控制律解算模塊，所述控制律解算模塊的姿態(tài)保持控制律、高度保持控制律、速度保持控制律，所述方法包括如下步驟：

（1）控制直升機上升，并實時反饋上升過程中直升機的姿態(tài)數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)，當(dāng)直升機上升到預(yù)先設(shè)定的高度時，停止上升，此時直升機處于懸停狀態(tài)，記錄該狀態(tài)下直升機的姿態(tài)數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)；

（2）傳感器模塊實時采集直升機的姿態(tài)數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA模塊；所述PC控制臺通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸至FPGA模塊；所述FPGA模塊實時接收傳感器數(shù)據(jù)及PC控制臺數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理成“幀”的格式定時發(fā)送至傳感器數(shù)據(jù)解算模塊，所述傳感器數(shù)據(jù)解算模塊將接收到的數(shù)據(jù)幀解算出姿態(tài)數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)，將解算出的數(shù)據(jù)與懸停狀態(tài)下同類數(shù)據(jù)進行比較，得到誤差數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制律計算出執(zhí)行機構(gòu)的控制量，所述控制律采用如下公式表示：

Δδ=k_pΔe+k_dΔe'，其中，Δδ為執(zhí)行機構(gòu)的控制量，Δe為誤差數(shù)據(jù)，Δe'為誤差數(shù)據(jù)變化率，k_p為誤差數(shù)據(jù)的系數(shù)，k_d為誤差數(shù)據(jù)變化率的系數(shù)。

所述控制律包括姿態(tài)控制律、高度控制律、速度控制律、位置控制律。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

（1）采用FPGA加DSP的飛行控制計算機硬件電路，所有的控制過程均通過這兩個控制芯片完成，使得該電路體積小、重量輕，便于安裝，成本低廉，有實用性。